고대 그리스시대 이래 많은 연금술사(alchemist)가 여러 가지 방법을 동원하여 구리와 같은 값싼 원소를 금과 같이 비싼 금속으로 바꾸려고 시도했었지. 하지만 근대 과학이 발달하면서 한 원소는 다른 원소로 변할 수 없다는 사실이 밝혀지면서 이러한 연금술은 더 이상 시도되지 않았단다.
하지만 1900년대 들어와 원자가 양성자와 중성자, 전자로 이루어졌다는 사실을 알게 되면서, 한 원소를 다른 원소로 변화시키려는 시도를 다시 시작했단다. 한마디로 현대판 연금술이라고 할 수 있지.
학교에서 배웠듯이 원자 중앙에는 원자핵이 있고, 그 둘레에는 전자가 돌고 있지. 그리고 원자핵 안에 있는 양성자의 수가 원자의 종류를 결정하지. 예를 들어 수소는 양성자가 1개, 헬륨은 양성자가 2개, 탄소는 양성자가 6개, 그리고 우라늄은 양성자가 92개가 있지.
[그림] 양성자와 중성자, 전자가 각각 6개 있는 탄소 원자
그래서 과학자들은 양성자의 개수에 따라 원자 번호를 매겼지. 예를 들어 양성자가 1개 있는 수소는 원자 번호가 1번, 양성자가 6개 있는 탄소는 원자 번호가 6번, 양성자가 92개 있는 우라늄은 원자 번호가 92번이 되었지. 그리고 대부분의 원자에는 양성자의 수만큼 중성자와 전자도 함께 가지고 있지.
그런데 반드시 그렇지는 않단다. 예를 들어 수소 원자는 양성자만 있고, 중성자는 없지. 하지만 중성자를 1개 가지고 있는 수소도 있단다. 이런 수소를 중수소(重水素: 무거운 수소라는 뜻이란다)고 부르지. 또 중성자를 2개 가지고 있는 삼중수소(三重水素)라고 부른단다.
일반적으로 원자는 전기적으로 중성을 띠고 있단다. 즉 원자에는 양(+)전기를 띠는 양성자 수만큼, 음(-)전기를 띠는 전자를 가지고 있단다. 하지만 전자는 원자에서 쉽게 들락날락하기 때문에, 전자의 수가 양성자의 수보다 많거나 적은 경우가 많단다. 이와 같이 전자의 수가 양성자의 수보다 많거나 적은 원자를 이온(ion)이라고 부른단다. 양성자보다 전자의 수가 모자라는 원자는 양이온이라 부르고, 반대로 전자가 많으면 음이온이 되지. 우주에 있는 원자의 95%는 이온 상태로 있단다.
이와 같이 원자 내부의 모습이 밝혀지면서, 1930년대 말부터 원자핵에 들어 있는 양성자의 수를 바꾸어 다른 원자로 만들어 보려는 시도를 하게 되었단다. 예를 들어, 양성자를 원자핵에 추가할 수 있다면 다른 원자가 만들어 지겠지. 하지만, 양성자를 원자핵 속에 밀어 넣는 것을 당시의 기술로는 불가능했단다. 원자핵이 양(+)전기를 띠기 때문에, 양성자를 밀어 넣으려면 양(+)전기끼리 서로 밀어내기 때문이었지.
이탈리아의 물리학자인 페르미(Fermi, 1901~1954년)는 양성자 대신 전기를 띠지 않는 중성자를 원자핵에 밀어 넣으면 다른 원자가 만들어질지 모른다는 생각을 하고 실험을 했지만 성공을 거두지 못했단다.
[사진] 이탈리아의 물리학자인 페르미(Fermi) - 원자폭탄과 원자력 발전소를 만드는 데 공헌했단다.
2차 세계대전이 일어났던 1939년 독일의 화학자 오토 한(Otto Hahn, 1879~1968년)도 그런 생각을 하였고, 우라늄 원자핵에 중성자를 밀어 넣는 실험을 하였는데, 뜻밖의 결과를 얻었단다. 우라늄(원자 번호 92번)보다 더 무거운 원자가 만들어지는 대신, 우라늄 보다 가벼운 바륨(원자 번호 56번)과 크립톤(원자번호 36번)이 만들어 졌단다.
그런데 새로 만들어진 원자의 원자 번호(56번과 36번)를 더해보니 우라늄의 원자 번호인 92번이 되었단다. 즉 우라늄에 중성자를 밀어 넣으면, 중성자가 우라늄 원자핵을 분열시켜 두 개의 다른 원자(바륨과 크립톤)을 만들어낸 것이지. 이런 것을 핵분열이라고 부른단다.
인간은 이제 핵분열 기술을 이용하여, 그 동안 신의 영역으로만 여겼던, 원소를 다른 원소로 변환시킬 수 있게 되었지. 물론 현대에는 원자핵 속으로 양성자를 밀어 넣어 자연에 존재하지 않는 새로운 원소도 만들어 내고 있단다.
그런데 핵분열보다 더 재미있는 사실은, 우라늄 원자가 바륨과 크립톤으로 변할 때, 변하기 전과 후의 질량이 다르다는 사실이야. 즉 핵분열을 하면서 약간의 질량이 어디론가 사라진 것인지. 예를 들면, 100g이 둘로 나누어지면, 70g과 30g이 되어야 하는데, 69g과 29g이 되어 2g이 사라졌다는 것이지.
이때 과학자들은 1905년에 아인슈타인이 만든 E=mc²라는 공식을 상기하게 되었지. 즉 사라진 질량이 전자기파 형태의 에너지로 변했다고 생각했지. 아인슈타인의 공식이 빛을 발하는 순간이었지.
[그림] 우라늄(U)이 핵분열을 하면서 바륨(Ba)과 크립톤(Kr)과 함께 2~3개의 중성자가 만들어지고, 질량이 감소하는 만큼 에너지가 만들어지는 핵분열
하지만, 문제는 여기에 그치지 않는단다. 많은 양의 우라늄으로 이러한 핵분열을 일으키면 가공할 만한 폭탄을 만들 수 있기 때문이지. 더욱이 오토 한은 독일인이었고, 히틀러 치하에 있었지. 독일에서 미국으로 망명한 유태인 과학자들은 이런 소식을 미국에 전하였고, 몇몇 과학자들은 히틀러에 대항하기 위해 핵분열을 이용한 폭탄을 만들어야 한다고 주장하였단다.
이런 주장을 한 과학자들은, 아인슈타인을 설득하여 1939년 8월 2일 루즈벨트 대통령에게 독일보다 먼저 핵폭탄을 개발하도록 편지를 보냈단다. 이후 미국 정부에서는 원자폭탄 개발을 위해 비밀리에 맨해튼 계획(Manhattan project)을 수립하게 되었고, 이 계획에서 가장 중요한 일을 맡은 사람이 이탈리아에서 망명한 핵물리학자 페르미란다. 페르미는 원자폭탄을 만드는데 공헌했을 뿐 아니라, 원자력 발전소에 있는 원자로를 만드는 데도 결정적을 역할을 한 사람이란다.
우라늄 원자 하나의 질량은 너무 적기 때문에 핵분열에서 나오는 에너지는 E=mc²를 적용하더라도 너무 적어 쓸모가 없지. 따라서 핵분열이 계속 일어나게 해야 하는데, 페르미는 이런 방법을 개발하는 일의 책임자였단다. 그리고 페르미는 핵분열의 연쇄반응을 이용하여 성공적으로 이 일을 완수하였단다.
중성자로 우라늄 원자 하나를 쪼개면, 우라늄 원자가 핵분열을 하면서 2~3개의 중성자도 함께 생기는데, 이 중성자가 다른 우라늄 원자를 쪼개면서 핵분열을 일으키고, 다시 이 핵분열에서 나오는 중성자가 다른 우라늄의 원자핵을 쪼개는 일을 반복하게 되지. 그리고 이런 과정을 연쇄반응(chain reaction)이라고 부르지.
[그림] 우라늄(U)이 핵분열을 하면서 바륨(Ba)과 크립톤(Kr)과 함께 2~3개의 중성자가 만들어지고, 이 중성자는 다시 다른 우라늄의 핵분열을 일으키는 연쇄반응
더 나아가 페르미는 중성자를 흡수하는 물질인 카드늄(Cd) 막대를 원자로에 넣거나 빼는 방법을 이용하여 연쇄반응의 빠르기를 조절 하였단다. 원리는 아주 간단하지. 핵분열에서 생기는 중성자를 카드늄(Cd) 막대로 많이 흡수하면 연쇄반응이 천천히 일어나고, 적게 흡수하면 연쇄반응이 빨리 일어나는 거지.(이런 방식은 지금도 원자력 발전소에서 사용하고 있단다.)
이 실험은 1942년 12월 2일 시카고 대학의 스쿼시 경기장에서 이루어졌단다. 약 50톤의 우라늄과 산화 우라늄을 이용하여 연쇄반응이 일어나는 최초의 핵분열 반응로를 건설하였지. 만약 연쇄반응 속도를 조절하지 못했다면 연쇄반응이 한번에 일어나 시카고 전체가 위험할 수 있는 상황이었지만, 다행히 실험은 성공하였단다.
[그림] 시카고 대학의 스쿼시 경기장에서 이루어진 페르미의 핵분열 실험을 모습을 그린 그림
독일은 핵폭탄을 개발하지 못하고 1945년 5월 8일 항복을 하고 말았지만, 미국은 1945년 7월 16일 새벽 뉴멕시코주 사막에서 최초의 원자폭탄을 성공적으로 폭발시켰단다.
[그림] 1945년 7월 16일 뉴멕시코주 사막에서 이루어진 최초의 원자폭탄 실험
그로부터 3주 후인 1945년 8월 6일 히로시마에 원자폭탄이 하나 투하되었단다. 직접적인 사망자만 8만 명이나 되고, 이후 방사능 등으로 죽은 사람은 훨씬 많았단다.
[사진] 히로시마에 투하된 원자폭탄인 리틀 보이(little boy). 지름 74cm X 길이 3.2m.
3일 후에는 나카사키에 또 하나 투하되었고, 직접적인 사망자만 7만 명이었단다. 1주일 후, 일본은 무조건 항복을 하였단다. 수십만 명의 희생자들을 만든 맨하튼 계획을 주도했던 오펜하이머는 이후 깊이 후회하고 남은 생을 원자폭탄 반대운동에 바쳤단다.
하지만 대부분의 과학자들은 그러지 않았단다. 소련(러시아)과의 냉전이 지속되면서 원자폭탄을 더 많이 만들고 더 많은 실험을 하였단다. 미국은 태평양 비키니(bikini) 섬에서 1946년 7월 1일부터 1958년까지 12년간 23차례의 원자폭탄 실험을 하였단다. 1946년에는 프랑스 한 디자이너가 몸을 거의 다 드러낸 수영복을 디자인하여 발표하였는데, 너무나 충격적인 모습에 원자폭탄 실험을 한 비키니 섬의 이름을 따서 비키니라 이름을 지었단다.
[사진] 태평양의 비키니(bikini) 섬에 이루어진 원자폭탄 실험
핵분열 이야기가 나온 김에 핵융합에 대해서도 조금 이야기해보자.
핵융합은, 위에서 이야기한 원자 번호가 1인 중수소와 삼중수소를 합치면 원자 번호가 2인 헬륨이 생기는데, 이 과정에서도 질량의 감소가 일어난단다. 핵분열과 마찬가지로 감소된 질량은 에너지로 변하는데, 핵분열을 할 때 보다 감소되는 양이 훨씬 많아 더 큰 힘을 발휘하지. 간단하게 이야기하면 핵융합을 하는 수소폭탄 1개는 핵분열을 하는 원자폭탄의 5~10배 정도의 힘을 가졌단다.
[그림] 중수소와 삼중수소가 합쳐지면 헬륨과 한 개의 중성자가 생기면서 큰 에너지가 나오는 핵융합 반응
우리가 매일 보는 태양이 바로 수소의 핵융합으로 그 많은 에너지를 만들어 내고 있단다. 태양은 1초에 4백만 톤의 질량이 감소한단다. 4백만 톤이면 엄청난 양이지. 하지만 태양이 곧 사라지지 않을까 하는 걱정을 할 필요는 없단다. 태양이 워낙 무겁기 때문이지. 태양의 수명은 100억년인데, 100억년 동안 감소하는 태양의 질량은 백만 분의 1도 되지 않는단다. 참고적으로 지구의 크기가 태양의 백만 분의 1이란다. 그리고 태양에서 만들어지는 에너지 중 20억 분의 1이 지구에 도달한단다.
수소의 핵융합은 우라늄의 핵분열 때처럼 방사능 물질이 거의 나오지 않기 때문에, 매우 안전할 뿐더러, 중수소는 바다물 속에 인간이 수억만 년 동안 쓸 수 있는 양이 있단다. 하지만, 수소의 핵융합은 100만도 이상의 온도에서 일어나기 때문에 핵융합을 하기가 매우 힘들단다.
1952년에 비키니 섬에서 처음 수소폭탄을 실험했는데, 이때 100만도 이상의 온도를 만들기 위해 원자폭탄을 폭발시켰단다. 미래에 핵융합을 쉽게 그리고 천천히 일어나게 하는 장치가 발명된다면, 지금의 우라늄 원자력 발전소는 모두 사라지고, 수소 원자력 발전소가 생기겠지. 그러면 에너지는 걱정할 필요가 없게 될 거야.
PS) 아인슈타인은 1922년에 노벨물리학상을 탔단다. 대부분의 사람들이 아인슈타인 노벨상을 탄 이유가 상대성이론을 발표했기 때문이라고 믿고 있지만, 사실은 다르단다. 아인슈타인이 노벨상을 탄 이유는 1905년 특수상대성이론을 발표하기 직전에 발표한 광양자설 때문이란다.
그럼 왜 아인슈타인은 상대성이론으로 노벨상을 타지 못했을까?
특수상대성이론을 발표한 1905년 이후, 아인슈타인은 8번이나 노벨 물리학상 후보에 올랐지만 번번이 고배를 마셨단다. 상대성이론이 노벨상에서 제외된 이유에 대해서는 여러가지 이야기가 있는데, 노벨위원회가 혁신적인 이론인 상대성이론을 제대로 이해하지 못했기 때문이라는 게 정설이란다.
당시 물리학 부문 노벨상위원회 위원장은 노벨의학상을 받은 안과 의사 출신이었단다. 물리광학을 가르치는 교수이기도 한 그는 아인슈타인의 상대성이론이 틀렸다고 생각하여 수상은 거부하였단다. 결국 젊은 한 과학자가 상대성이론 대신 광양자설 논문을 수상 후보로 내는 재치를 발휘하여 아인슈타인에게 노벨상을 안겨 주었단다.
사실 혁신적인 것으로 따진다면, 상대성이론보다 광양자설이 훨씬 더 혁신적이라는 것이 나의 생각이란다. 광양자설은 빛이 파동인 동시에 입자(알갱이)라는 것인데, 이러한 내용이 나중에 양자역학의 기초가 되었단다. 양자역학은 아인슈타인 조차도 받아들이기를 거부할 정도로 혁신적이란다.(이 이야기는 뒤에 다시 하기로 하자.)
어쨌던, 1923년 아인슈타인이 스웨덴을 방문해 노벨상 수상 기념 강연을 했는데, 광양자설에 관해선 한마디도 하지 않고 상대성이론에 대해 설명하는 것으로 불만을 표시했단다.
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