양성자와 중성자

우주가 탄생하고 3분 뒤 온도가 더욱 낮아지자 우주에서는 양성자와 중성자가 서로 충돌하면서 융합하여 원소의 원자핵이 형성되기 시작하였다. 그림 18과 같이 먼저 양성자와 중성자가 융합하여 양성자와 중성자가 각각 1개인 중수소 원자핵이 형성되었다. 그리고 중수소 원자핵끼리 융합하면서 양성자 1개와 중성자 2개로 이루어진 삼중 수소 원자핵을 형성하고 1개의 양성자를 남겼다. 이러한 과정을 거치면서 우주에는 이전까지 없었던 수소 원자핵과 헬륨 원자핵이 형성되었다. 이때까지도 전자는 매우 빠르게 움직이고 있었기 때문에 전하를 띤 전자가 전하를 띤 원자핵과 결합 할 수 없었다. 따라서 물질의 성질을 가지는 원소는 아직 만들어지지 않았다. 당시의 우주에는 간단한 원자핵과 전자 이외에도 많은 빛이 존재하고 있었다. 그러나 이때의 모습을 우리가 볼 수 있다고 해도 깨끗하게 보이지는 않을 것이다. 왜냐하면 아직은 원자들이 생성되지 않았으므로, 우주에 존재하던 빛은 원자핵과 전자의 영향으로 직진하지 못하고 산란만을 거듭했기 때문이다. 이것은 마치 안개가 낀 곳에서 자동차의 불빛이 잘 보이지 않는 것과 같다. 당시의 우주는 이처럼 빛이 반복적으로 산란하여 불투명한 상태를 유지하고 있었다. 우주가 탄생한 후 약 38만 년이 지난 뒤 우주의 온도가 약 3,000K까지 낮아지면서 전자가 원자핵의 주위로 끌려와 원자가 형성되기 시작하였다. 양성자 1개로 이루어진 수소 원자핵과 전자 1개가 결합하여 수소 원자가 형성되고, 헬륨 원자핵과 2개의 전 자가 결합하여 헬륨 원자가 형성되었다. 당시에는 초기의 우주에서보다 중성자의 수가 상당히 줄었기 때문에 중성자와 결합하지 못한 수소 원자핵이 많이 남아 있었다. 따라서 형성된 헬륨의 양은 수소에 비해 10%에도 미치지 못했다. 이처럼 전하를 띤 전자가 전하를 띤 원자핵과 결합하여 원자가 생성되면서 우주에는 중성 상태의 입자들이 가득 차게 되었다. 이것은 또한 우주를 가득 채우고 있던 빛의 행동을 극적으로 변화 시키게 되었다. 전기적으로 중성인 원자들은 빛의 진로를 방해하지 않았으며, 이에 따라 빛이 산란하지 않고 직진하기 시작하였다. 비로소 우주는 안개의 시대에서 맑음의 시대로 들어선 것이다. 초기 우주에서 이렇게 탄생한 수소는 핵융합 반응의 에너지원이 되어 현재 존재하는 무수한 별들의 빛과 별들의 진화를 일으키는 데 중요한 역할을 하고 있다. 우주가 아주 작은 우주에서 급속히 폭발하면서 팽창하여 현재의 우주를 이루게 되었다는 빅뱅은 많은 사람들에게 충격을 주었다. 또한 빅뱅의 내용이 너무 추상적이었으므로 일반인들은 이를 쉽게 받아들이지 않았다. 따라서 빅뱅의 내용을 설명하기 위해서는 우주가 빅뱅으로 탄생한 것을 뒷받침할 증거가 필요했다. 과학자들은 빅뱅의 증거로 무엇을 내세웠을까? 과학자들이 제시한 빅뱅의 증거는 우주 공간에 분포하는 수소와 헬륨의 분포 비율 이었다. 빅뱅에서 예측한 수소와 헬륨의 생성 비율과 현재 우주 공간에 분포하는 수소와 헬륨의 분포 비율을 서로 비교하여 빅뱅을 증명하려 했던것이다. 빅뱅에서 예측한 수소와 헬륨의 조성 비율은 우주의 온도와 밀접한 관계에 있으며, 우주의 온도 변화는 우주의 팽창 속도와 관련이 있다. 즉, 우주의 팽창 속도가 현재보다 느리거나 빨랐다면 우주의 온도 변화가 현재와는 달랐을 것이며, 이에 따라 우주 공간에 존재하는 수소와 헬륨의 비율도 현재와는 다르게 나타날 것이다. 따라서 빅뱅에서 예상한 수소와 헬륨의 조성비와 실제 우주의 관측을 통해 얻은 조성비를 비교 하였을 때 서로 일치한다면 이는 빅뱅의 증거가 된다. 우주 공간에 존재하는 수소와 헬륨의 비율은 스펙트럼의 분석으로 확인한다. 특히 물질의 종류는 방출 스펙트럼이나 흡수 스펙트럼 을 이용하면 알 수 있다. 스펙트럼을 통해 물질의 종류를 어떻게 알 수 있을까? 물질로 존재할 수 있는 가장 작은 화학적 단 위 입자인 원자는 전하를 띠는 핵과 전하를 띠는 전자로 구성된다. 이때 전자는 정해진 몇 개의 허용된 궤도에 한해서만 안정된 상태로 존재한다. 모든 원소들은 안정된 상태를 유지할 수 있는 서로 다른 고유한 전자 궤도를 가지고 있다. 이와 같은 특별한 궤도에서 전자는 일정한 에너지를 갖는다. 바닥 상태에 있는 안정한 원자는 그 원자가 가질 수 있는 가장 적은 에너지를 가지고 있다. 이때 원자에 에너지가 공급되면 전자는 더 높은 에너지를 가지는 궤도로 이동할 수 있다. 반대로 높은 에너지의 궤도에 있던 전자가 낮은 에너지의 궤도로 이동할 때 원자는 광자라고 불리는 빛 알갱이 형태로 에너지를 방출한다. 한편 원자가 충분히 많은 양의 에너지를 흡수하면, 하나 또는 그 이상의 전자들이 궤도를 완전히 이탈하여 원자에서 떨어져 나간다. 이때 원자는 전하를 띠며, 이를 이온이라고 한다. 이와 같이 원자 안의 전자가 이동할 때 발생하는 방출 에너지와 흡수하는 에너지는 스펙트럼의 형태로 관찰된다. 방출 스펙트럼은 전자가 높은 에너지의 궤도에서 낮은 에너지의 궤도로 옮겨질 때 생성된다. 흡수 스펙트럼이 처음 분석된 별은 태양이다. 19세기 초 프라운호퍼는 태양의 스펙트럼에서 프라운호퍼선이라 불리는 600개 이상의 흡수 스펙트럼을 찾아냈다. 이후 과학자들은 태양의 스펙트럼에서 수천 개의 흡수 스펙트럼을 분류해 내었다. 또한 지상의 실험실에서 태양의 흡수 스펙트럼들을 다른 화학적 물질에서 생성된 스펙트럼선과 비교하여 태양에는 60개 이상의 원소가 존재한다는 것을 알게 되었다. 태양은 우주에 존재하는 가장 일반적인 별이므로 태양을 연구하여 얻은 자료는 다른 별의 연구에도 이용된다. 밤하늘에서 볼 수 있는 별들은 대부분이 수소와 헬륨으로 구성되어 있다. 이처럼 구성 성분이 서로 비슷한 별들 사이에서 흡수 스펙트럼이 차이가 나는 것은 별들의 표면 온도가 크게 다르기 때문이다. 또한 어떤 원소의 전자들은 특정한 에너지를 가지고 있으며, 이러한 특성은 전자의 개수에 따라 어느 정도 주기성을 가진다. 이를 이용하면 우주 공간에 어떤 종류의 원소가 있으며, 그 양이 얼마인지를 확인할 수 있다. 이처럼 우주를 구성하는 물질에서 각 원소가 가지고 있는 고유한 흡수 스펙트럼의 강도를 비교하여 알아낸 수소와 헬륨의 질량 비율은 대부분의 별에서 약 3:1로 나타난다. 이 비율은 빅뱅에서 예측하는 3 :1의 값과 일치한다. 이러한 결론으로 우주 기원에 대한 빅뱅 이론은 확고한 지지를 얻을 수 있었다.