자, 이번 수업은 우주 초기 원소의 생성 과정에 대해 알아보자.

허블은 외부 은하의 스펙트럼을 관측하여 멀리 있는 은하일수록 빨리 멀어진다는 허블 법칙을 발견하였고 이것으로 우주가 팽창하고 있다는 사실이 밝혀졌다.

이런 우주 팽창을 바탕으로 빅뱅 우주론과 정상 우주론이 등장하였는데 가모프에 의해 주장된 빅뱅 우주론은 우주가 팽창하면서 부피는 커지지만 질량은 변화가 없으므로 우주의 밀도와 온도가 감소한다고 설명하였고 호일에 의해 주장된 정상 우주론은 우주의 부피가 커지면서 질량도 같이 증가하므로 우주의 밀도와 온도는 변하지 않는다고 설명하였다.

빅뱅 우주론의 여러 증거들이 관측됨에 따라 현재는 빅뱅 우주론이 인정받고 있는 상태이다.

빅뱅을 통한 우주 초기 원소의 생성에 대해 알아보기 전에 먼저 물질을 구성하는 입자에 대해 살펴보자.

모든 물질은 원자로 구성되어 있으며 원자는 원자핵과 전자로 원자핵은 양성자와 중성자로, 양성자와 중성자는 쿼크라는 입자로 구성되어 있다.

쿼크와 전자처럼 더 이상 분해되지 않는 입자를 기본 입자라고 이야기한다.

쿼크와 전자는 전기를 띠고 있는데 위 쿼크의 전하량은 +2/3, 아래 쿼크의 전하량은 -1/3이며 전자의 전하량은 -1이다.

양성자와 중성자는 각각 3개의 쿼크로 구성되어 있는데, 양성자는 위 쿼크 두 개, 아래 쿼크 한 개, 중성자는 위 쿼크 한 개, 아래 쿼크 두 개로 이루어져 있으며 전하량이 +2/3인 위 쿼크 두 개와 -1/3인 아래 쿼크 한 개로 이루어진 양성자의 전하량은 +1이고, 위 쿼크 한 개, 아래 쿼크 두 개로 이루어진 중성자는 전하를 띠지 않는 중성 상태이다.

원자핵은 일반적으로 양성자와 중성자로 구성되어 있지만 수소 원자핵의 경우 양성자 1개로만 이루어져 있다.

원자핵 속의 양성자가 양전하를 띠고 있으므로 원자핵 역시 양전하를 띠고 있다.

원자는 원자핵에 전자가 결합하여 생성된 입자이며 원자핵을 구성하고 있는 양성자의 수와 전자의 수가 같으므로 원자는 전기적으로 중성 상태이다.

원자 내에서 작용하는 힘을 살펴보면 원자핵은 전기력으로 전자를 붙잡고 있으며 원자핵 안에서 양성자와 중성자 그리고 쿼크들 사이에는 강한 핵력이 작용하고 있다.

빅뱅 우주론은 고온 고밀도의 한 점이었던 우주가 대폭발이 일어난 후 계속 팽창하여 현재와 같은 저온 저밀도의 우주가 만들어졌다고 우주의 탄생을 설명하고 있는 이론이다.

우주가 팽창하면서 가장 먼저 기본 입자인 쿼크와 전자가 만들어지고 쿼크들이 결합하여 양성자와 중성자가 탄생하였으며 양성자는 그대로 수소 원자핵이 되고 양성자와 중성자가 결합하여 헬륨 원자핵이 만들어진 후 원자핵과 전자의 결합으로 원자가 생성되었다.

헬륨 원자핵은 빅뱅 이후 3분 경, 원자는 빅뱅 이후 38만 년이 지난 후 온도가 약 3,000k 정도로 냉각되었을 때 탄생하였다.

입자의 탄생 순서를 다시 한번 정리하면 수소 원자핵, 헬륨 원자핵, 수소, 헬륨 원자 순으로 형성되었으며 수소 원자는 양성자 하나로 이루어진 원자핵 주위에 전자 한 개가 돌고 있고 헬륨은 양성자 두 개와 중성자 두 개로 구성된 원자핵 주위를 전자 두 개가 돌고 있는 구조이다.

이런 빅뱅 이론을 지지하는 증거는 두 가지가 있는데 그 중 첫 번째 증거는 현재 우주를 구성하는 수소와 헬륨의 질량비가 3:1이다 라는 것이며 이것은 빅뱅 이론의 예측과 스펙트럼을 통한 측정값이 일치한다는 사실을 통해 받아들여지고 있다.

두 번째 증거는 우주의 모든 방향에서 관측되고 있는 우주 배경 복사이다.

원자 생성 이전 전자의 방해로 인해 우주 공간으로 퍼져나가지 못하고 있었던 빛이 원자핵이 전자를 붙잡아 원자가 생성되면서부터 전자의 방해에서 벗어나 우주 공간으로 퍼져나가게 되었고 이때부터 투명한 우주가 시작되었다.

원자가 생성되면서 빠져나간 빛이 지금도 관측되고 있는데 이것을 우주 배경 복사라고 한다.

우주 배경 복사는 가모프에 의해 예측되었고 펜지어스와 윌슨에 의해 최초 관측되었으며 관측 초기 우주 배경 복사는 우주의 모든 방향에서 거의 같은 세기로 관측되었지만 최근 우주 망원경을 통해 미세한 온도 차이를 확인하였다.

현재는 이 미세한 온도 차이를 통해 별과 은하의 탄생을 설명하고 있다.

우주 배경 복사가 처음 생성될 때는 3000K의 에너지를 가진 빛이었지만 지금은 약 3K의 에너지를 가진 파장이 길어진 상태의 전파 영역으로 관측되고 있다.

다음은 빅뱅 우주론에서 예측한 수소와 헬륨의 질량비에 대해 알아보자.

쿼크들의 결합에 의해 양성자와 중성자가 생성된 직후에는 양성자가 중성자로 변환되는 반응과 중성자가 양성자로 변환되는 반응이 모두 일어나 양성자와 중성자의 개수비는 1 대 1을 유지하고 있었다.

하지만 우주의 온도가 낮아짐에 따라 에너지를 흡수하며 일어나는 중성자로의 변환은 일어나지 않고 에너지를 방출하며 일어나는 양성자로의 변환만 일어나게 되어 양성자의 수가 더 많아지면서 결국 헬륨 원자핵 생성 직전에는 양성자와 중성자의 개수비가 7 대 1이 되었다.

중성자 두 개와 양성자 두 개가 결합하여 헬륨 원자핵을 만들고 나머지 양성자는 그대로 수소 원자핵이 되면서 수소 원자핵과 헬륨 원자핵의 개수비는 12 대 1이 되었고 헬륨 원자핵 1개는 수소 원자핵 4개와 질량이 비슷하므로 결국 수소와 헬륨의 질량비는 3대 1이 되었다.

스펙트럼은 빛이 프리즘을 통과할 때 나타나는 색의 띠를 말하는 것으로 연속 스펙트럼과 선 스펙트럼으로 구분할 수 있으며 선 스펙트럼은 다시 흡수 스펙트럼과 방출 스펙트럼으로 나눠진다.

연속 스펙트럼은 백색광을 프리즘에 통과시킬 때 나타나는 무지개 형태의 연속적인 색의 띠를 말하는 것이고 흡수 스펙트럼은 연속 스펙트럼에 검은색 선이, 방출 스펙트럼은 검은 바탕에 몇 개의 밝은 선이 나타나는 스펙트럼이다.

선 스펙트럼에 나타나는 선의 위치와 개수, 두께 등이 원소의 종류와 양에 따라 다르게 나타나므로 천체의 선 스펙트럼을 분석하면 우주에 존재하는 원소의 종류와 양을 확인할 수 있다.

그럼 각각의 스펙트럼이 어떠한 경우에 나타나게 되는지 살펴보자.

먼저 고온의 별에서 방출되는 빛을 그대로 프리즘에 통과시키면 연속 스펙트럼이 나타나고 저온의 기체를 통과하면서 특정 파장의 빛이 흡수되는 경우에는 흡수 스펙트럼, 저온의 기체가 뜨거워져 고온의 기체가 되고 여기서 방출되는 빛을 프리즘에 통과시키면 방출 스펙트럼이 나타난다.

이런 스펙트럼을 이용해 측정한 실제 우주의 수소와 헬륨의 질량비가 빅뱅 우주론의 예측과 일치한다는 것이 확인되었고 현재 우주에 존재하는 수소와 헬륨의 질량비가 3 대 1이라는 것은 빅뱅 우주론의 강력한 증거로 사용되고 있다.

[고1 통합과학] 1강. 쿼크, 빅뱅, 수소-헬륨 질량비, 스펙트럼

중/고등 과학 핵심 내용 정리.

탑사이언스 과학 학원(대구 수성구)