1. 별의 탄생
핵분열 및 핵융합 반응에 대해 알아봅니다. 두 반응 모두 질량이 에너지로 사용 가능한 경우입니다. 핵반응뿐만 아니라 우리 주변에서 흔히 볼 수 있는 화학반응에서도 반응 후 열이 발생하면 반응물의 질량이 줄어들고 반응과 함께 열이 발생한다. 그러나 열에너지에 해당하는 질량 차이가 너무 작아서 질량이 에너지로 변환되는 것을 알아차리지 못했다. 화학 반응에 관련된 에너지는 약 eV이고 핵 반응에 관련된 에너지는 약 Mev입니다.
그리고 핵분열 및 핵융합 반응뿐만 아니라 다른 모든 핵 반응에서 관련된 에너지는 대략 MeV입니다. 그러나 핵분열과 핵융합 반응을 지속적으로 실행하여 많은 양의 에너지를 수확하는 방법으로 사용할 수 있음을 발견했습니다.
화학 반응과 핵 반응은 관련된 에너지만 다른 것이 아닙니다. 화학 반응에서 반응하는 물질이 변합니다. 간단한 예: 나무를 태울 때 탄소와 산소가 결합하여 새로운 물질인 이산화탄소를 형성합니다. 그러나 반응 전후에 관련된 요소는 변하지 않습니다. 반응 전의 산소 원자 및 탄소 원자의 수와 반응 후의 산소 원자 및 탄소 원자의 수는 동일하게 유지됩니다. 이것은 화학 반응의 특징입니다. 아무리 뜨거운 물질을 오븐에 넣고 가장 뜨거운 온도에서 화학 반응을 일으켜도 관련된 원소는 전혀 변하지 않습니다.
그러나 코어 디스크에서는 한 요소가 반응과 함께 다른 요소로 변경됩니다. 화학은 물질과 물질 간의 반응을 다루는 분야입니다. 따라서 화학에서는 물질의 기본 구성 요소인 원자가 변한다는 것을 상상할 수 없습니다. 그런데 원자년을 발견한 유명한 물리학자 러더퍼드는 노벨 화학상을 수상했습니다. Rutherford는 상을 받았을 때 매우 기뻐하지 않았다고 합니다. 그는 자신을 화학자로 본 적이 없었기 때문입니다.
러더퍼드는 알파 입자가 헬륨 핵이라는 사실을 발견한 공로로 노벨 화학상을 받았습니다. 그 당시에는 핵에 대해 알려진 것이 별로 없었기 때문에 그러한 분야도 화학에 속하는 것 같습니다. 핵 반응은 원소를 다른 원소로 변환합니다. 그러나 현재 우리가 믿고 있는 우주론인 빅뱅이론에 따르면 우리 우주는 약 250억년 전에 시간과 공간, 에너지를 이용하여 갑자기 존재하게 되었다. 즉, 우주가 창조되었습니다. 그 당시 우주 전체의 부피는 매우 작았습니다. 그리고 우주가 팽창하면서 우주의 부피도 커져 오늘날 우리가 보는 우주가 되었습니다. 그러나 우주를 구성하는 대부분의 물질은 수소로 이루어져 있습니다. 그러나 지구와 같은 행성에는 원자번호 92번인 우라늄을 비롯해 다양한 원소가 존재한다.
새로운 요소를 만드는 이 과정을 핵합성이라고 합니다. 철은 별에서 자발적으로 발생하는 핵융합 반응에 의해 합성되는 가장 무거운 원소입니다. 따라서 철은 아마도 지구 내부에서 가장 흔한 원소일 것입니다. 그리고 철보다 원자번호가 높은 금과 백금이 가치 있는 이유는 핵융합으로 만들 수 없기 때문일 것이다. 수백억 년 동안 우주에서 무슨 일이 일어났는지 정확히 말할 수 없기 때문에 막연합니다. 매우 무거운 원소는 별의 모든 핵융합 반응이 완료된 후에 형성될 것으로 예상됩니다.
사진은 1987년에 관측된 초신성이다. 초신성은 별이 다 타버린 후 중력 에너지의 갑작스러운 방출로 인해 폭발하는 것입니다. 이때 하늘에는 거대한 불꽃놀이가 펼쳐지듯 갑자기 많은 새로운 별들이 나타난다고 한다. 조선시대에도 이런 초신성 폭발이 있었다.
우리 이조실록에는 손님으로 소개되었다. 새로운 별이 몇 주 동안 관찰되었다고 합니다. 우리나라뿐 아니라 전 세계 역사책에도 이 초신성이 언급된다. 나는 별의 진화와 원자핵의 형성에 대해 알려주는 핵 합성에 대해 쓸 것입니다.
2. 별의 진화
밤하늘의 거의 모든 별은 우리 태양이 속한 은하수에 포함되어 있습니다. 하늘에는 태양과 같은 어떤 별들이 존재하지만, 멀리 있는 은하를 포함하여 많은 종류의 천체가 존재합니다. 그 중 하나가 성운입니다. 성운은 성간 물질이라고 불리는 다양한 가스 또는 먼지의 집합체입니다. 밝은 구름과 어두운 구름이 있지만 성운에서 나오는 빛은 너무 희미해서 육안으로 볼 수 없습니다. 이 빛을 장시간 노출 사진으로 받으면 이미지와 같이 나타납니다. 이 이미지는 오리온 성운의 일부로, 망원경으로 보면 칙칙하고 별이 없어 보이지만 장시간 노출로 보면 너무 아름다워 보입니다.
성운의 구성 요소는 대부분 수소 기체이지만 전파를 통해 천체 관측이 가능해지면서 다른 원소들도 성운에서 발견됐다. 그 중 탄소 및 수소 원자가 상당한 비율로 포함되어 있으며 질소, 규소 및 황 원자도 관찰됩니다. 이러한 원자는 종종 분자의 형태를 취합니다. 그리고 그들 중 일부는 방부제로 사용되는 포름알데히드, 포름산 또는 심지어 에틸 알코올과 같은 유기 물질의 형태로 존재합니다.
태양과 같은 별은 성운을 구성하는 물질에서 태어납니다. 밝은 성운 이미지를 면밀히 살펴보면 별이 방출하는 적외선 또는 전파에서 별이 형성되고 있음을 암시하는 작고 어두운 구멍이 드러납니다. 우주 형성 초기에는 온도가 매우 높아 별이 형성되지 않았습니다. 그러나 우주가 팽창하면서 수소기체의 온도가 떨어지고, 초기 은하들은 우주를 만든 빅뱅 이후 약 20억년 후에 형성되기 시작한 것으로 예측된다.