고대의 연금술사들은 금을 물질의 가장 완전한 단계로 보았습니다
그래서 납이나 철 같은 금속을 불로 달구고 식히는 과정을 반복하면 가장 완전한 단계의 물질로 정련되어 나올거라고 믿었습니다
그러나 금은 실험실같은 공간에서 만들어질 수 있는 물질이 아닙니다
금이라는 물질은, 별과 별이 충돌하는 거대한 폭발을 통해서 만들어지는데, 우주라는 공간 외에는 그러한 거대한 폭발을 감당할만한 장소가 없기때문입니다
연금술사들이 그렇게 이루고자하였던 물질의 구조를 근본부터 바꾸는것은 원자핵 속에 있는 양성자의 숫자에 의해서인데 양성자의 숫자가 바뀔수있는 방법은 핵융합이라는 과정을 통해서입니다
이 글에서는 모든 물질의 근원인 원소는 어떻게 만들어지는지와 금이 만들어지는 과정, 그리고 현대의 핵융합이나 결합의 기술로 금을 만들 수 있는지를 알아보겠습니다
원소들은 어떻게 종류대로 만들어지나
물질을 이루는 가장 작은 알맹이인 원자는 원자핵과 양성자, 중성자, 전자로 이루어져 있습니다
그리고 원자는 원자핵과 그 주위를 도는 전자로 이루어져 있고, 원자핵은 또 양성자와 중성자로 이루어져 있습니다
모든 물질의 기본적인 구조는 동일한데 각각의 물질이 종류 별로 나누어지는 이유는 원자핵을 이루고 있는 양성자의 숫자가 다르기 때문입니다
물질은 제멋대로 다 다른 것이 아니라 양성자의 숫자대로 분류된다는 사실은, 자연이 참으로 신비롭지만 매우 질서 정연하다는 것을 보여주는 것입니다
예를 들어서 양성자가 1개면 수소, 2개는 헬륨, , , 5개는 붕소, 6개는 탄소, 7개는 질소, 8개는 산소 이런 식으로 양성자의 숫자에 따라 물질의 종류가 달라지기 때문에 과학자들은 이 양성자의 숫자를 원자 번호로 정하여놓았습니다
그렇다면 양성자가 만들어지곳은 어디일까요
양성자는 우주라는 거대한 공간에서 만들어지는데 우리가 살고 있는 지구의 모든 물질은 우주의 별이 핵융합을 통해서 만들어놓은 물질들이 뭉쳐서 만들어졌습니다
에너지와 파동만 있던 우주는 아주 조그만 중력이라도 생기면 거기를 중심으로 뭉치는 과정이 시작되고 이 뭉치는 과정에서 입자가 만들어졌습니다
그리고 입자들이 모여서 쿼크와 전자가 되었고, 쿼크들이 모여서 양성자와 중성자가 되었고, 양성자와 중성자가 모여서 원자핵이 그리고 원자핵과 전자가 만나면서 원자가 되었습니다
원자가 만들어지면서 가장 먼저 탄생한 원소가 양성자 1, 전자 1로 이루어진 수소입니다(수소는 중성자가 없습니다)
수소가 많아지자 수소는 다시 중력이 있는 곳에서 뭉치기 시작하고, 계속 중점을 향해 뭉치면서 압력과 온도가 점점 높아져갔습니다
수소들은 높은 압력에서 아주 아주 밀착된 상태인 데다, 온도까지 올라가면서 수소들의 운동력이 마구 활발해져서 서로 융합이 일어나기 시작합니다
수소와 수소가 결합된 물질이 헬륨인데, 별의 가장 초기 단계의 핵융합입니다 양성자는 이 핵융합을 통하여서 만들어집니다
그리고 똑같은 과정으로 헬륨끼리 융합하여 탄소가 만들어지고 탄소끼리 융합하여 산소, 산소끼리 결합하여 규소, 규소끼리 결합하여 철이 만들어집니다 (모든 원자는 별에서 만들어졌다 )
우리가 과학시간에 외웠던 주기율표의 1번부터 26번까지는 전부 별 내부의 핵융합으로 만들어졌습니다
그러나 원자번호 27~92, (코발트부터 우라늄까지)는 초신성 폭발이나 중성자별 충돌 같은 별들이 마지막 순간에 폭발하거나 엄청난 압력으로 압축된 중성자별들끼리 폭발할 때 만들어집니다
별이 금을 만드는 과정
원자번호 79인 금은 양성자가 79개이고 중성자가 118개인 물질입니다
별이 핵융합으로 성장하는 과정 중에는 만들어지지 않고, 별이 마지막 폭발할 때 만들어집니다
별은 수소-헬륨-탄소-산소-규소-철의 과정을 거쳐 성장해 나가는데, 마지막 단계 철은 거의 완전한 구조를 이루고 있기 때문에 핵융합을 하지 않고 계속 쌓아놓기만 합니다
별은 중심에서 계속 핵융합을 하기때문에 외부에서 오는 압력을 이기며 별의 모양을 유지해가는것인데, 철이 쌓이면서부터는 핵융합이 이루어지지 않기 때문에, 별이 중심은 에너지와 힘이 생성되지않는 상태가 되어서 별 자신의 무게를 이기지못하게됩니다
그래서 모든 무게가 중심으로 쏠리다가 붕괴되어 폭발하고맙니다
이것을 초신성이라고하며 이 때 별은 자신이 평생 만들지못하던 철보다 무거운 원소들을 만들기도하는데 그 중의 하나가 금입니다
그런데 최근에 알려진 바로는 금이 만들어지는 것은 초신성 폭발보다는 중성자를 더 많이 쏟아내는 중성자별들끼리의 충돌에서 더 많이 만들어진다고 합니다
중성자별이란 별이 초신성 폭발을 할 때 만들어지는 별입니다
초신성 상태의 별은 비록 붕괴상태이기는 하지만 모든 무게 중심이 중심으로 쏠려있는 상태이기 때문에 중심의 밀도가 엄청나게 높은 상태라고 합니다
이렇게 강하게 밀집되어 있는 환경에 있는 전자와 양성자는 서로 결합을 해서 중성자가됩니다
그리고 이 중성자들이 점점 모이면서 강하게 압축이 되어 하나의 거대한 중성자 덩어리가 되는데 이것이 중성자 별입니다
중성자별은 중심에는 아주 강한 압축으로 중성자들만으로 이루어져있지만 외곽으로는 철, 탄소, 니켈등과 같은 중간정도 무게의 원소들로도 구성되어있다고합니다
이 별의 압축은 정말 놀랍도록 강해서 수저 1숟가락의 무게가 산 하나의 무게와 같다고 합니다
즉 별 전체의 질량의 한 순간에 중심으로 몰려오다 보니, 원자 속의 전자와 양성자가 짜부라져서 엄청나게 압축되고 압축된 상태인 것입니다
만약 이런 식으로 태양을 압축한다면 태양의 크기는 200km로 줄어들 것이며, 지구의 크기는 200m로 줄어든다고 합니다
이런 식으로 만들어진 중성자별들은 서로를 끌어들이는 중력장 또한 굉장히 강력해서, 서로의 중력에 의하여 충돌하게 될 경우, 태양이 평생 쏟아낼 에너지를 단 몇 초만에 방출할 정도로 강력한 폭발이 일어난다고 합니다
이때 엄청난 양의 중성자들을 쏟아내는데, 이 순간을 놓치지 않고, 중성자 별의 외곽에 존재하던 철, 니켈, 텅스텐과 같은 중간 무게의 원소들은 중심에서 무수히 쏟아내는 중성자들을 빠르게 포획하고 흡수하여 무거운 원소로 변신합니다
그러나 무거운 원소로의 변신은 여기서 끝나는 것이 아니라 다음 단계를 거쳐야 비로소 원자번호가 바뀌는 제대로 된 원소가 됩니다
양성자와 중성자는 적당한 비율을 이루어야 안정된 물질의 상태가 되는데, 중성자 별이 폭발할 때 일단 중성자를 많이 포획한 원소들은 불균형 상태를 이루는 것이 많습니다
이때 원소의 상태에 따라서 중성자가 양성자로 바뀌는 과정이 필요합니다
양성자와 중성자는 업, 다운 쿼크들로 구성되어 있는데 양성자는 업쿼크 2개, 다운쿼크 1개 중성자는 업쿼크 1개, 다운쿼크 2개로 이루어져 있습니다
그런데 중성자들의 숫자가 너무 많아서 물질의 균형을 잡을 수 없으면 중성자를 이루고 있는 쿼크는 스스로 성질을 변화시켜 새로운 입자로 만듭니다
즉 업쿼트 1, 다운쿼크 2개로 된 중성자의 다운쿼크 하나가 업쿼크로 바뀌어 양성자가 됩니다
조금 더 자세히 말하면 중성자를 많이 포획한 원소가 자신이 가지고 있는 양성자의 수보다 중성자의 숫자가 너무 많아서 여분의 중성자가 생길 경우, 그 여분의 중성자는 약 15분 동안 불안정한 상태로 존재하다가 자신 안의 다운 쿼크 하나를 업쿼크로 바꿔서 양성자로 변화합니다
이런 식으로 양성자의 수를 늘려 원소들은 무거운 원소로 완전히 변화되는 것입니다
금은 이러한 과정을 거쳐서 만들어집니다
그런데 금을 이루고 있는 양성자와 중성자의 비율이 가장 안정적인 비율이라고 하는데 이것은 양성자와 중성자가 내부의 불안정을 스스로 조절하면서 중성자가 양성자가 되는 과정을 여러 번 반복하면서 더 이상 붕괴되지 않는 가장 안정적인 상태를 찾은 것이 바로 금의 상태입니다
즉 양성자 79개, 중성자 118개의 가장 안정적인 구조가 되면 '금'이라는 물질이 만들어지는 것입니다
현대판 연금술 가능한가
현대는 인공적으로 핵융합이나 핵분열을 일으킬 수 있습니다
그렇다면 이러한 방법으로 금을 인공적으로 만들 수는 없을까요
결론은 만들수는 있지만, 만들 필요가 전혀 없습니다
먼저 헬륨을 예로 들어보겠습니다
헬륨은 양성자 2, 중성 2인 원자핵으로 이루어져 있습니다
그래서 헬륨을 금으로 바꾸려면 양성자 77개를 추가하고 같은 비율로 중성자도 채워 넣어야 합니다
그런데 문제는 양성자끼리는 서로 강력하게 밀어내는 힘을 가지고 있습니다 그래서 이들을 결합시키려면 이보다 더 많은 숫자의 중성자를 넣어야 하는데 이러한 과정은 정말 어마어마한 에너지가 필요하고 엄청난 장비가 필요하며 또한 이러한 방법을 실행하는 과정은 안전하지도 않기 때문에 방법은 알지라도 현실적으로 실현하기는 불가능합니다
그렇다면 납과 같이 금보다 양성자가 2개 정도 더 많은 원소는 어떨까요 양성자 2개를 떼어내는 방법은 가능할까요
양성자 2개를 떼어내려면 입자가속기와 같은 초고가의 장비가 필요하며 또한 엄청난 에너지가 필요합니다
그리고 납에서 양성자 2개를 빼내었다면 그 양성자에 맞는 중성자가 필요합니다 그런데 양성자를 빼냈다고 해서 그에 맞는 중성자가 저절로 만들어지는 것이 아니기 때문에, 이렇게 만들어진 원자핵은 양성자와 중성자의 균형이 깨어져서 불안정해지고, 그 결과 방사선을 내뿜으며 붕괴될 위험이 있습니다
1941년 실제로 입자가속기를 이용하여서 수은과 중성자를 충돌시켰더니 10mg의 금과 250mg의 백금이 만들어졌다고 합니다 그러나 이후 이 금과 백금은 시간이 지나면서 방사성물질을 내보내며 붕괴되었다고 합니다
결국 귀한 금이라는 물질을 만들어내기 위해서 천문학적인 돈을 쏟아붓는 일은 너무나 비현실적이기 때문에 금을 인공적으로 만들어내는 일은 할 필요가 없는 것입니다
주기율표 93번 이후 초우라늄 원소들은 자연에는 거의 없고 인간이 인공적으로 입자가속기를 이용하여 무거운 원소들끼리 충돌시켜 만든 것들인데, 이러한 원소들은 핵이 불안정한 상태이기 때문에 만들어졌다가 금방 사라져 버리는데, 과학자들이 이런 원소들을 만들어내는 이유는 실험용 데이터를 얻기 위해서라고 합니다
그런데 위의 핵융합 과정에서 양성자끼리는 서로 밀어내는 힘이 강한데 왜 서로 결합할 수 있는 것일까요
양성자와 중성자는 모두 쿼크라는 입자로 구성되어 있는데 양성자는 업쿼크 2 다운쿼크 1, 중성자는 업쿼크 1 다운쿼크 2로 구성되어 있습니다
이 쿼크들을 묶어주는 힘은 글루온이라는 강력입니다
그런데 양성자(+)가 양성자(+)를 만나면 이 둘은 서로 밀어내는 힘이 강해서 결합하지 못하는데, 여기에서 중성자를 이루고 있는 쿼크들을 묶고 있는 강력히 이 서로 밀어내는 양성자들을 묶어버리므로 새로운 원소가 탄생합니다
마무리
고대의 연금술사들은 금의 완전성의 가치를 알아보았기때문에 수많은 세월동안 실험실에서 연구하고 실험을 거듭하였습니다
그러나 하루의 삶을 마치고 밤 하늘을 바라보았을 때, 그들이 바라보던 저 별속에서 금이 만들어지고있다는 사실을 상상이나하였을까요
이 세상은 마치 창조주가 자신의 세계를 펼쳐놓고 그 안에서 우리가 발견하길 바라는 지혜의 놀이터같습니다
연금술사들도 금이라는 귀한 물질에 이끌려 세상의 비밀을 캐려하였지만, 그 시대의 한정된 지식으로는 물질의 근원에 다가갈수없었습니다
그러나 현대의 과학 또한 마찬가지입니다
세상을 이루는 가장 기본적인 입자를 발견하였다고 기뻐하였지만 그 안에는 원자핵이 존재하였고 원자핵은 또 다시 양성자와 중성자가, 그리고 그 속에는 또 쿼크들이 숨어있었습니다
그리고 쿼크를 더 파고들어가보니 모든 물질은 입자이자 파동이며 에너지라는 사실에 다다르게되었습니다
과연 이 세상의 근원은 어디에 깊이 숨어있는걸까요