전자, 양성자, 광자, 분자의 상호작용 2

전자, 양성자, 분자의 상호작용 전체를 이해하면 우주의 현상을 한눈에 볼 수 있습니다. 서로 간의 상호작용에 대해 정리해 보도록 하겠습니다.

 

전자와 전자의 상호작용

전자와 전자가 서로 접근하면 광자를 방출하거나 흡수합니다. 서로를 향해 접근하는 두 전자에서 한 전자가 광자를 방출하면 그 전자는 운동량 변화로 인해 진행 방향이 변화합니다. 운동량은 질량이 속도를 곱한 벡터양이므로 운동량이 변화하면 입자의 진행 방향이 바뀝니다. 광자를 흡수한 전자도 마찬가지로 운동 방향이 바뀌어 두 전자가 서로 더 멀어지는 방향으로 진행합니다. 광자의 운동량을 주고받는 과정에서 서로 접근하는 두 전자 사이에 반발력이 생깁니다.

 

광자와 광자의 상호작용

빛에는 파동과 입자의 특성이 모두 존재합니다. 빛의 입자적 특징인 광자를 파동으로 생각해 보면,광자끼리 결 맞게 중첩되면 파동의 진폭이 커지고,결이 다르게 중첩되면 파동이 소멸하기도 합니다. 레이저는 광자들이 파동을 결 맞게 중첩해 강한 빛 에너지를 만들어 내는 것입니다.

 

양성자와 양성자의 상호작용

별과 별 사이의 성간 가스들이 중력으로 수축하여 온도와 앞력이 높아지면 가스 속 수소 원자들의 전자가 자유전자가 되어 양성자와 전자가 분리된 플라스마 상태가 됩니다. 초기 별을 만드는 플라스마의 온도가 1000만 도 정도의 고온이 되면, 양성자들의 속도가 빨라져서 양성자와 양성자가 서로 밀어내는 반발력을 극복해 서로 결합하는 핵융합 반응이 일어납니다.

 

양성자 4개가 헬륨 원자핵 1개로 전환되는 핵융합 과정에서는 질량 손실이 생깁니다. 이때 사라지는 질량이 모두 에너지로 바뀌어 태양이 45억 년 이상 빛을 내는 것입니다. 태양이 핵융합하지 않고 중력 수축으로 생성된 에너지로만 빛을 낸다면 천만년 정도만 에너지를 공급할 것입니다. 중력 수축을 생성하는 위치에너지의 반은 열이 되고 반은 빛이 된다는 이론이 바이리얼 (Viral Theorem) 정리입니다. 

 

전자, 광자, 양성자만으로 우주 모든 현상을 이해하려면 먼저 전자, 광자, 양성자의 상호작용을 알아야  합니다. 예를 들어 꽃이 피고 새가 날고 바람이 부는 모든 현상을 몇 단계로 살펴보면 전자, 광자, 양성자로 설명할 수 있습니다. 

 

꽃이 피려면 햇빛, 물, 토양이 필요한데, 햇빛은 광자의 다발이고 물은 수소와 산소의 결합이고 토양은 물 만들어집니다. 한 단계 더 분해하면 수소는 전자와 양성자 각 1개, 산소는 전자 8개, 양성자 8개, 중성자 8개로 구성 됩니다. 양성자와 중성자는 서로 변환이 가능한데 양성자가 중성자로 바뀌는 베타붕괴에서는 전자와 중성미자가 방출됩니다. 이러한 상호작용에 대한 핵심 내용에 익숙해지면 우주와 자연현상을 바라보는 관점이 달라지리라 생각합니다.

 

분자의 상호작용

우주에서 가장 많은 물질 상태는 플라스마입니다. 별은 대부분 플라스마 상태입니다. 지구에서는 물질이 고체체, 액체, 기체로 존재하는데,이 중에서 고체는 비결정과 결정으로 나뉩니다. 플라스마는 별 속의 높은 온도로 인해 전자가 원자핵에서 벗어나 모두 자유전자가 된 상태를 말합니다.

 

별의 질량은 대부분 수소 원자핵인 양성자와 헬륨 원자핵인 알파입자로 형성되어 있습니다. 별에서 전자는 원자핵의 구속을 당하지 않는 자유로운 자유전자 상태에 있는데, 적색거성 외곽에서 온도가 3000도 이하가 되면 전자가 원자핵과 결합하여 원자 형태로 존재할 수 있습니다.

별 중심의 핵융합 과정에서 생성된 빛과 열은 복사와 대류 작용으로 인해 별의 표층으로 빠르게 전달됩니다. 중성자는 양성자보다 질량이 조금 더 커서 진공에서 약 15분 이내로 베타 붕괴해 양성자, 반중성미자로 붕괴합니다. 양성자는 3개의 쿼크로 이루어진 중입자에서 가장 가벼운 입자이므로 진공에서 다른 입자로 바뀌지 않습니다.

 

적색거성처럼 태양보다 수만 배 큰 별의 외곽은 온도가 3000도보다 낮아지므로 일산화탄소, 산화규소 같은 간단한 분자가 존재할 수 있습니다.분자가 원자로 분해되지 않고 중력으로 모이거나 뭉치면 거대한 분자구름을 형성합니다. 우리은하 내부에서도 거대한 분자 구름이 수천 개 이상 발견되고 있는데, 이곳에서 별들이 약 수천 개씩 무리 지어 탄생합니다.

 

거대 분자구름은 초기에는 약 영하 200도로 온도가 매우 낮아, 분자들이 열운동을 거의 하지 않기 때문에 중력을 모여들 수 있습니다. 지구 표면은 평균온도가 15도 정도로, 물질이 분자 상태로 존재할 수 있습니다. 

특히 세포속에는 10만 종류 이상의 분자가  인지질 막 안에서 치열하게 상호작용하는 상태로 존재합니다. 세포는 지구를 제외하고 어떤 곳에서도 아직 발견되지 않았습니다. 세포와 생명체는 우주에서 예외적으로  여러가지 형태의 분자로  존재하는 곳입니다. 

다음 포스팅에서는 '원자의 작용은 전자의 작용이다'에 대해 알아보도록 하겠습니다.