자연현상은 전자, 양성자, 광자의 상호작용

1. 원자로 구성된 우주

 

우주의 모든 현상을 효과적으로 바라보는 세 가지 관점은 다음과 같습니다.

첫째, 기원의 추적, 둘째, 시공의 자유, 셋째, 패턴의 발견입니다. 별과 바위

그리고 꽃은 모두 원자로 구성되어 있습니다.

우주와 우주 속 모든 현상에는 시작의 순간인 기원이 존재하는데, 과거로

올라갈수록 시간과 공간의 폭이 좁아져 자연현상에서 패턴을 발견할

가능성이 커집니다.  

기원의 추적을 원자에 적용해보면, 원자에 대해 구체적으로 알아가는 과정은

우주를 이해하는 지름길입니다. 가장 단순한 원자는 수소 원자인데,

수소 원자는 양성자와 전자로 구성됩니다.

양성자는 수소 양이온 H⁺, 다시 말해 수소 원자핵 P를 일컫는다.

우주의 거의 모든 현상에는 양성자가 등장합니다. 그래서 별, 구름, 꽃 등 모든

사물에서 양성자를 찾아내면 자연의 구성 원리를 알아낼 수 있습니다.

자연현상에서는 원자보다 이온과 동위원소가 중요합니다. 이온은 전하를

갖는 원자이며, 동위원소는 원자핵의 중성자 개수가 다른 원자입니다.

 

 

별과 지구와 사람이 원자로 구성되었다는 말은 엄밀하지 않은 표현입니다.

별의 질량은 대부분 양성자가 차지하고, 지구에서는 맨틀을 구성하는 

분자들이 핵심입니다.

세포에서는 원자가 아니라 양성자, 전자, 이온이 생화학 작용을 합니다.

지구과학에서는 동위원소가 중요하지만, 생물학에서는 전하를 띤 이온들의 

산화-환원 반응이 핵심입니다.

지구과학에서는 탄소, 산소, 우라늄의 동위원소가 특히 중요합니다.

탄소의 방사성 동위원소인 탄소-14(¹⁴C)는 반감기가 5730년인데, 고고학 

유물의 연대를 정확히 알려줍니다. 산소의 방사성 동위원소인 산소-18(¹⁸O)는

빙하의 나이를 알려주어 기후학과 해양학에서 중요합니다.

우라늄의 방사성 동위원소 우라늄-235(²³⁵U)와 우라늄(²³⁸U)은 암석의 나이를

측정하는 데 도움이 됩니다.

 

별과 태양은 수소 원자로 시작됩니다. 수소 원자만 알면 모두 알 수 있습니다.

수소 원자는 양성자와 전자로 구성되는데, 전하를 갖는 양성자와 전자가

가속운동을 하면 광자를 방출합니다. 

별은 70퍼센트 이상이 수소이며, 별이 핵융합해 약90 가지 원소를 만듭니다.

별, 지구, 생물은 모두 전자, 양성자, 광자의 상호작용에서 생겨납니다.

별과 지구에서는 베타붕괴와 동위원소가 중요한데, 식물과 동물의 호흡,

광합성도 모두 전자의 이동 과정입니다. 

별, 지구, 생명, 식물, 동물을 포함하여 우주의 모든 존재는 전자, 양성자, 광자의

중첩 현상이 빚어낸 결과라고 할 수 있습니다.

별에서 지구의 생명 현상까지, 모든 것에서 핵심은 수소 원자입니다.

양성자가 하나씩 증가함에 따라 주기율표가 만들어지는데, 수소 원자만 알면

모두 알 수 있습니다.

2. 주기율표의 원리

 

 

이 지식을 확장하면 주기율표의 118개 원소가 생겨납니다.

중성자와 양성자는 베타붕괴를 거쳐 서로 변환되므로 중성자는 일단 양성자와

같다고 생각합시다.

양성자와 중성자의 변환 과정이 바로 베타 붕괴이며, 별의 핵융합에서는 베타붕괴가

핵심입니다. 베타붕괴는 + 베타붕괴와, - 베타붕괴 두 가지 반응으로 나뉘는데, 

-베타붕괴:중성자→ 양성자 + 전자 + 반중성미자

+베타붕괴:양성자→ 중성자 + 반전자 + 중성미자

 

꽃 피고 바람 부는 모든 현상은 원자, 동위원소, 이온의 작용입니다.

물리학자의 별을 만나고 난 뒤에야 진정한 어린 왕자의 별을 만날 수 있습니다.

논리와 느낌은 세계를 보는 2개의 창입니다. 양자역학과 상대성이론으로 물질과

시공의 구조를 물리 법칙으로 이해하면 자연의 아름다움을 더 깊이 알게 된다.

 

자연현상은 구조와 논리 그 자체로 아름답습니다. 그래서 논리적 훈련이 선행되면

정서적 느낌이 더 긴 여운을 남깁니다.

주기율표는 양성자가 하나씩 증가하는 숫자의 배열입니다. 양성자가 1개인 수소

에서 양성자가 하나씩 추가되어 주기율표가 만들어집니다.

그래서 원소의 본질은 양성자의 개수입니다. 하나씩 증가하는 숫자의 배열은 조화롭게

변화하는 아름다움입니다. 가장 완벽한 아름다움은 원자 그 자체입니다.

 

주기율표는 118개의 원소를 표현한 순수한 숫자의 배열입니다. 양성자 1,

양성자 2, 양성자 3, ···, 양성자 118 같은 식입니다.

양성자 79개가 모이면 금이 되고, 1개 더 추가하여 80개가 모이면 수은이 됩니다.

양성자 단 1개의 차이로 고체에서 액체가 되고, 귀금속에서 유독 물질이 됩니다.

물론 중성자가 포함되어야 원자핵이 되고, 전자가 양성자의 개수만큼 궤도를 돌아야

금 원자와 수은 원자가 되지만, 원소의 구별은 양성자의 개수가 정합니다.

그러므로 주기율표에서는 양성자 개수가 핵심입니다.

동위원소는 한 종류의 원자에서 중성자의 개수가 달라짐에 따라 질량 차이를 만듭니다.

원자 질량의 차이는 질량분석기를 통해 매우 정밀하게 측정할 수 있습니다. 탄소 동위원소

의 비를 측정하여 물 분해형 광합성 과정이 밝혀졌습니다.

빙하와 탄산칼슘 속 산소 동위원소의 비를 측정하여 1억 년 전까지 지구의 과거 온도를 

알아냈습니다. 베타붕괴에 의한 동위원소 생성 과정은 별 속 핵융합과 원자력의 핵분열

과정을 이해하는 데 핵심입니다.

동위원소의 생성과 변환 과정인 베타붕괴는 핵변환 과정으로, 전하 보존과 운동량 보존

법칙을 충족해야 합니다. 베타붕괴에서 전하 보존을 위해 양전자가 방출되고, 운동량

보존을 위해 중성미자가 출현하며, 에너지 보존을 위해 광자가 생겨납니다.

별을 구성하는 원소들의 핵변환 과정에서 많은 동위원소가 생성되고, 이러한 

변화에서 광자와 전자가 출현하여 전하 보존과 운동량 보존 법칙을 충족하게 됩니다.

 

 

이러한 자연현상의 바탕에는 예외 없이 전자, 양성자, 광자가 등장합니다.

결국 자연현상은 전자, 양성자, 광자의 상호작용일 뿐입니다. 양성자와 중성자는

상호 변환됩니다.

전자, 광자, 양성자가 빚어내는 상호작용의 중첩으로 별과 행성이 탄생했고, 지구에서

광물과 생물이 공진화했습니다. 광물이 분해되어 토양이 되고, 토양에서 식물이 자라고,

식물의 광합성으로 지구 표층이 생명의 융단으로 덮이는 과정이 모두 전자, 양성자, 광자

상호작용의 한 예일 뿐입니다. 빅뱅에서 인간의 상상까지 그 모든 바탕에는 이 세 입자의

상호작용이 있습니다.

우주의 거시 구조를 지배하는 중력을 제외한다면, 자연 현상은 우주의 기본 입자인

전자, 양성자, 광자의 중첩된 상호작용의 결과일 뿐입니다.

 

3. 빅뱅 이후 우주의 시작 과정

 

양성자는 빅뱅 후 100만분의 1초가 지나서 출현했습니다. 양성자, 전자, 광자는

우주의 전부입니다. 중력과 약한 상호작용에 관여하는 중력자와 중성미자는

우주 전체에서는 중요하지만 생명 현상에는 양성자, 전자, 광자로 충분합니다.

빅뱅 후 38만 년이 지나 전자가 양성자에 구속되면서 수소 원자가 생성되었습니다.

그 후 우주는 수소 원자가 중력 수축으로 모여들어 별과 은하를 만드는

대하드라마를 연출했습니다.

 

수소 원자가 중력 수축으로 모여들어 원시 별 중심 영역의 온도와 압력이 높아졌습니다.

그로 인해 4개의 양성자가 핵융합해 1개의 헬륨 원자핵이 생성되었다.

헬륨 원자핵은 양성자 2개와 중성자 2개가 강한 핵력으로 결합하여 하나의 입자처럼 

작용하기 때문에 알파입자라 합니다.

별의 질량에서 수소는 70퍼센트, 헬륨은 25퍼센트를 차지합니다. 즉 별은 수소와 

헬륨의 거대한 가스 덩어리라고 할 수 있습니다. 이러한 별 속의 물질 상태를 

플라스마라 합니다. 별이 밝게 빛나는 에너지는 별 중심부에서 수소 혹은 헬륨이

핵융합하는 과정에서 사라지는 질량이 에너지로 전환되면서 생겨납니다.

 

이처럼 자연현상은 핵심은 전자, 양성자, 중성자가 중요한 역할을 하는 것입니다.