핵력과 핵융합
자연계에 작용하는 힘은 4가지가 있습니다.
'전자기력⦁중력⦁강한 핵력⦁약한 핵력'이 그것이죠.
중력과 전자기력은 무한히 먼 거리까지 작용하는 힘이지만
강한 핵력과 약한 핵력은 분자 이하 정도의 매우 짧은 거리에서만 작용하는 힘입니다.
전자기력은 전하를 띤 입자들 사이의 상호 작용하는 힘이고, 중력은 질량을 가진 물체 사이에 서로 끌어당기는 힘이죠. 강한 핵력은 원자핵 안에서 양성자와 중성자를 한데 묶어 놓는 힘이고, 약한 핵력은 원자핵 붕괴에 관여하는 힘입니다.
힘의 크기는 강한 핵력 > 전자기력 > 약한 핵력 > 중력 순입니다.
이 4가지 힘은 빅뱅 전에는 하나의 힘으로 통일이 돼 있었다고 합니다.
빅뱅이 일어나면서 이 4가지 힘은 서로 분리되어 독립된 힘으로 자연계에 존재하는 것이죠.
그래서 거꾸로 얘기하면 이 4가지 힘은 하나의 힘으로 통일할 수 있다는 겁니다.
그게 통일장 이론이죠. 중력을 빼고 3가지 힘은 하나로 통일하는데 성공했지만,
아직 4가지 힘을 한 데 묶지는 못하고 있습니다.
언젠가는 통일장 이론이 완성이 될 걸로 보고 있습니다.
그렇게만 된다면 그때는 우주의 많은 비밀이 여실히 드러나는 역사적인 날이 될 것입니다.
자 그러면 오늘은 원자가 구성될 수 있는 힘의 작용에 대해서 알아보겠습니다.
원자가 구성되기 위해서는 전자가 핵에 잡혀 있어야 되는데 어떻게 그게 가능할까요?
핵이 전자를 잡고 있는 힘은 전자기력입니다.
양성자는 양전하를 띠고 전자는 음전하를 띠기 때문에 서로 끌어당기는 힘이 작용하죠. 그런데 전자가 양성자 주위를 도는 이유는 양성자가 전자보다 약 1840배나 더 큰 질량을 갖고 있기 때문입니다.
문제는 그다음입니다.
수소 원자는 양성자 하나이기 때문에 문제가 없지만, 수소 원자 이외에는 양성자가 2개 이상입니다.
전자기력에 의하면 양성자 끼리는 서로 밀치는 힘이 작용해서 한데 붙어 있을 수가 없습니다.
그런데 서로 밀어내지 않고 딱 붙어 있는 이유는 무엇일까요?
바로 강한 핵력 때문입니다.
전자기력으로 서로 밀어내는 것보다 더 강한 핵력이 양성자를 하나로 꼭 잡고 있는 겁니다.
강한 핵력은 전자기력보다 137배나 더 강하다고 합니다.
그런데 이 강한 핵력은 아주 강한 힘이지만 원자핵 크기 정도의 아주 극미 세계에서만 작용하는 힘이죠.
그렇다고 수소 원자가 저절로 헬륨 원자로 융합되지는 않습니다.
어떻게 핵융합이 가능할까요?
핵융합이 되기 위해서는 양성자가 강한 핵력이 작용하는 아주 가까운 거리까지 서로 갈 수 있도록 해줘야 합니다.
그것을 가능하게 하는 것은 온도입니다.
우주 공간에서 약 1만℃에 이르면 수소 원자의 속도가 빨라져서 서로 충돌하고 더 이상 양성자가 전자를 잡고 있을 수가 없습니다. 양성자와 전자가 모두 흩어져서 자유롭게 활동하는 플라즈마 상태가 되는 거죠.
하지만 아직은 양성자가 서로 결합할 수 없습니다.
강한 핵력이 미치는 거리까지 다가가지 못하기 때문입니다. 전자기력이 방해하기 때문이죠.
그렇지만 온도가 약 1천만℃에 이르면 양성자의 속도가 더 빨라져서 전자기력을 이겨내고 강한 핵력에 의해서 결합할 수 있는 충분한 거리까지 가까워질 수 있습니다.
이때 강한 핵력에 의해 양성자 2개가 결합하면서 핵융합에 의해 헬륨 원자가 탄생하게 됩니다.