별의 핵융합과 원소의 탄생

1. 별과 지구

별의 구성 물질은 대부분 수소와 헬륨이다.
지구형 행성에는 철과 규소가 풍부하지만, 별에는 수소와 헬륨 이외의 원소들은
미량만 존재한다. 규소, 즉 실리콘(si)은 지구에서 두 번째로 풍부한 원소이며,
지각과 맨틀은 50퍼센트 이상이 산화규소다. 수소 원자핵인 양성자는 빅뱅 후
100만분의 1초가 지난 뒤 출현했고, 헬륨 원자핵인 알파입자는 빅뱅 후 약 3분이
지나서 합성되었습니다. 주기율표의 약 90개 원소는 빅뱅 후 5억 년이 지난 후
별 속에서 합성되었습니다.
그래서 주기율표에서는 수소와 헬륨이 핵심이며, 나머지 모든 원소는 수소와 헬륨이 
별 속에서 핵융합한 결과로 양성자와 중성자의 수가 늘어난 무거운 원소들입니다.
지구의 돌, 바람, 물은 모두 별이 만든 원소들로 만들어졌습니다.
업쿼크는 전하량이 분수값 인 2/3쿨룽이고 다운쿼크는 전하량이 -1/3쿨룽이다.
그래서 양성자의 전하량은 (2/3+2/3-1/3) C=3/3C=C가 되어 전자 전하량과 같고 부호만
반대입니다. 중성자의 전하량은 (-1/3-1/3+2/3) C=0으로 중성자의 전하량은 0이 되어
전하가 중성이란 의미에서 중성자라 합니다.

 

 

2. 핵융합 과정

 

별의 핵융합 과정에서 발행하는 +베타붕괴는 양성자에서 중성자로 변환하는 반응으로
+전하의 반전자를 방출하므로 전자 중성미자 VC도 출현한다. 
+베타붕괴로 원자핵에서 양성자가 1개 감소하면 다른 원소가 됩니다. 중성자가 양성자로
전환하는 베타붕괴는 -전하의 전자를 방출하므로 -베타붕괴라 하며, 원자핵에서 양성자가
1개 더 증가하여 다른 원소가 됩니다. -베타붕괴에서 방출하는 중성미자는 반중성미자다.

별 속의 핵융합 과정에서 발생하는 +와, -베타붕괴의 결과, 별에서 다양한 원소가 합성되었습니다.
빅뱅 후 3분 안에 합성된 양성자와 알파입자가 중력 수축으로 뭉쳐 빅뱅 후 약 5억 년이
지나서 우주에 최초의 별이 탄생했습니다. 최초의 별들은 질량이 태양의 100배나 되기
때문에 매우 빠른 핵융합으로 탄소, 질소, 산소의 원소를 폭발적으로 합성했습니다.
별 속의 핵융합 과정은 빅뱅 후 약 130억 년 동안 지속해서 원소를 합성했습니다. 지구를
구성하는 대부분의 원소는 별 속의 핵융합 과정에서 생성되었습니다.

별 속의 핵융합 과정에서 원소들의 합성은 빠른 과정과 느린 과정으로 구분됩니다.
두 과정 모두 원자핵이 중성자를 포획함으로써 일어납니다. 고밀도의 중성자 다발이 
존재하면 원자핵이 중성자를 포획하는 속도가 빨라지기 때문에 빠른 과정이라고 합니다.
느린 과정은 부피가 매우 크고 표면 온도가 낮은 적색거성에서 수천 년 동안 일어나는 원소 생성 과정
입니다. 느린 과정에서는 별의 온도가 낮고 중성자 밀도가 낮아서 원자핵에 포획된 중성자가 -베타붕괴를
거쳐 양성자로 전환되는 속도가 매우 느립니다.

 

 

3. 지구 생명의 고향

 

철보다 가벼운 원소들은 대부분 느린 과정의 핵변환 과정을 통해 생성됩니다.
빠른 과정은 초신성이 폭발할 때 생성되는 고밀도의 중성자에서 생성되는 핵변환 과정입니다.
초신성 폭발에서 수 초 내에 진행되는 빠른 핵 합성 과정에서 철보다 무거운 원소들이 합성됩니다.
별 속의 핵 합성으로 주기율표 원소의 대부분이 생성되고 지구를 구성하는 탄소, 질소, 산소, 철, 규소의 
원소가 만들어집니다. 지구를 구성하는 모든 원소는 태양이 탄생하기 이전에 태양 주변의 적색거성과
초신성들이 만든 원소들입니다.

별 속의 핵융합 과정에서 생성된 탄소와 산소는 빅뱅에서 생성된 수소와 결합하여 물(H2O)과 이산화탄소(Co2) 분자를
만든다. 물과 이산화탄소가 태양의 빛 알갱이인 광자와 상호작용하는 과정이 바로 광합성입니다.

별의 핵융합으로 생성된 산소 원자가 수소 원자와 결합하여 물이 되었고, 물은 지구에서 바닷물이라는 액체 상태로
존재했다. 지구 탄생 20억 년 이후 물 분해형 광합성 과정을 통해 기체 상태의 산소 분자가 출현했습니다.
산소 분자를 이용하여 약 20억 년 전에 출현한 진핵세포에서는 세포 속의 미토콘드리아가 산소 호흡을 통해
대량으로 생체 에너지 ATP를 합성합니다.

미토콘드리아의 산소 호흡은 별이 만든 원소인 산소를 이용하여 세포 내에서 대량의 에너지를 생성하는 과정인데,
이를 통해 세포의 진화가 가속됩니다. 약 6억 년 전 다세포 생물이 출현하고, 약 5억 년 전에는 척추동물이 출현하여
사지동물과 양막류로 진화하고, 양막류에서 파충류와 조류, 포유동물이 출현했습니다.
별의 핵융합이 지구 모든 생명의 고향인 것입니다.