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▲ 허블 망원경이 잡은 심우주. 우주 물질의 75%는 수소다. 왜 이렇게 수소가 많은 걸까?(사진=NASA)
우주 삼라만상을 이루고 있는 원소들 중에서 수소가 가장 많다. 무려 75%를 차지한다. 대체 왜 그런 걸까?
이 질문에 답을 하려면 빅뱅이 일어난 때로 돌아가야 한다고 오리건 주립대학 화학교수인 메이 나이먼이 설명한다. 빅뱅은 주기율표의 원소들을 만들어 우주를 짓는 벽돌로 사용했다. 원소들은 각기 고유한 개수의 아원자 입자를 가진다. 양전하를 띤 양성자, 중성자, 그리고 음전하를 띤 전자가 그것들이다.
수소는 양성자 하나와 전자 하나로 이루어진 원소로, 중성자를 갖지 않은 유일한 원소이기도 하다. 우주에서 가장 단순한 원소인 이 수소는 또한 우주에서 가장 흔한 원소로서 우주 물질의 거의 75%를 차지하고 있다. 이 같이 수소가 가장 단순한 구조를 가졌다는 이유가 바로 가장 많은 비율로 존재하게 되었음을 말해주는 것이라고 나이먼 교수는 설명한다.
이 수소는 별 속에서 핵융합으로 헬륨을 생성한다. 우주에서 수소 다음으로 많은 헬륨은 양성자, 중성자, 전자를 각각 두 개씩 갖고 있다. 따라서 질량은 수소의 4배가 되며, 우주 물질의 24%를 차지한다. 천문학에서는 헬륨보다 무거운 원소들은 모두 중원소로 친다.
참고로, 우주에 있는 모든 원소들의 개수는10^98(10의 98승) 개이며, 그중에서 당신은 10^29(10의 29승) 개를 갖고 있다. 그리고 원소 개수로 보면, 1위 수소 88%, 2위 헬륨 11%이고, 나머지 모든 자연 원소 90종을 합해도 1% 미만이다.
세번째로 많은 원소는 산소인데, 그래봤자 수소의 1000분의 1 이하이다. 그리고 질량이 높은 원소일수록 그 양은 적다고 나이먼 교수는 덧붙인다.
그런데 지구의 원소 조성비는 우주와는 사뭇 다르다. 지각에서 가장 많은 비중을 차지하고 있는 원소는 산소로, 46.6%나 된다. 그 다음이 규소 27,7%, 알루미늄 8.1%, 철 5%, 5위 칼슘 3.6%, 나트륨 2.8%, 칼륨 2.6%, 마그네슘 2.1% 순이다.
이런 것을 보면 지구가 우주에서 얼마나 특이한 존재인가 하는 것을 알 수 있다. 물론 그렇지 않다면 우리는 존재할 수 없었을 것이다.
우주에서 가장 흔한 수소는 인체에서도 생명 유지에 필수적인 역할을 한다. 유전자 정보를 만드는 DNA 생성에도 관여하며, 우리 몸의 위나 다른 장기 내의 pH(물의 산성-알칼리성의 정도를 나타내는 수소 이온 농도 지수) 조절에도 필수적인 기능을 한다고 나이먼 박사는 밝힌다.
그러나 무엇보다 중요한 수소의 효용은 바로 산소와 결합해 생명의 근원인 물(H20)을 만든다는 사실이다. 그리고 물이 얼 때는 소수가 물의 분자를 떨어뜨리는 역할을 해서 물보다 비중이 가벼운 얼음을 만드는데, 만약 얼음이 물보다 무겁다면 바다에서 생명이 나타나기 어렵다. 왜냐하면 얼음이 밑바닥에서부터 얼기 시작해 모든 물이 얼어붙을 것이기 때문이다.
"일반적으로 어떤 물질이 액체에서 고체로 되면 비중이 높아지는 데 반해, 물은 이와 반대 현상을 보이는데, 이는 물이 갖는 아주 중요한 특성 중의 하나입니다" 하고 나이먼 교수는 밝힌다.
한편, 수소는 아주 위험한 원소의 하나이기도 하다. 산소와 반응하면 바로 폭발을 일으킨다. 이런 이유로 힌덴부르크 비행선이 1937년 폭발해 36명의 인명사고를 냈다. 게다가 수소 폭탄은 인류의 종말을 가져올 만큼 파괴적이다. 이런 수소 폭탄이 1950년대 미국과 소련, 영국, 프랑스, 중국 등에 의해 핵실험을 감행되었다고 나이먼 교수는 지적했다.
가장 단순하면서도 우주에 가장 많은 수소. 그러나 수소가 지닌 오묘한 신비는 아직까지 다 밝혀지지 않고 있다. 그래서 물리학자들은 수소를 알면 물리학을 다 안 것이나 진배없다는 말을 하고 있다.
이광식 칼럼니스트 joand999@naver.com
