원소—우연히 존재하게 되었는가?
원소—우연히 존재하게 되었는가?
“우주에 있는 모든 물체는, 가장 먼 곳에 있는 별조차도 원자로 구성되어 있다”고, 「별·원자 백과사전」(The Encyclopedia of Stars & Atoms)에서는 설명합니다. 개개의 원자는 너무 작아서 보이지 않지만, 그러한 개개의 원자가 함께 결합하여 잘 알려져 있는 화학 원소를 구성하게 됩니다. 그러한 원소들 중에는 우리가 볼 수 있는 고체도 있고, 보이지 않는 기체도 있습니다. 그러한 모든 화학 원소의 존재를 우연으로 설명할 수 있겠습니까?
1번부터 92번까지의 원소
수소는 모든 원자 가운데 가장 단순하지만, 태양과 같은 별의 연료가 되기 때문에 생명이 존재하는 데는 꼭 필요한 물질입니다. 수소 원자의 핵 안에는 양성자가 하나 있으며, 하나의 전자가 그 핵 주위를 돕니다. 탄소, 산소, 금, 수은과 같은 다른 화학 원소를 구성하는 원자의 핵 안에는 여러 개의 양성자와 중성자가 들어 있고, 또한 여러 개의 전자가 그 핵 주위를 돌고 있습니다.
약 450년 전에는 단지 12개의 화학 원소만 알려져 있었습니다. 원소들이 더 발견됨에 따라, 과학자들은 자연 상태에서 원소들이 질서 있게 배열되어 있다는 사실을 깨닫게 되었습니다. 또한 과학자들은 원소들을 행과 열에 맞춰 도표로 정리하면서 같은 열에 있는 원소들은 유사한 특징을 가지고 있다는 사실을 발견하게 되었습니다. 하지만 그 도표에는 알려져 있지 않은 원소를 의미하는 빈칸도 여러 개 있었습니다. 그로 인해 러시아의 과학자 드미트리 멘델레예프는 원자 번호가 32인 원소 즉 게르마늄의 존재뿐 아니라 그 원소의 빛깔과 무게와 밀도와 녹는점까지 예측하게 되었습니다. “빠져 있는 다른 원소들 즉 갈륨과 스칸듐에 대한 [멘델레예프의] 예측 역시 매우 정확했음이 밝혀졌다”고, 1995년에 과학 교과서로 사용된 「화학」(Chemistry)이라는 책에서는 지적합니다.
시간이 지나면서, 과학자들은 알려져 있지 않은 다른 원소들의 존재와 그 원소들의 특징 가운데 일부도 예측하게 되었습니다. 마침내, 빠져 있던 모든 원소가 발견되었습니다. 그 도표에는 더 이상 빈칸이 없습니다. 자연 상태에서 원소들의 순서는 원자핵 안에 들어 있는 양성자 수에 의해 결정되는데, 원자 번호 1번인 수소에서부터 자연 상태에서 지구상에 일반적으로 존재하는 마지막 원소인 원자 번호 92번 우라늄에 이르기까지 그러한 방식으로 순서가 결정됩니다. 이것이 우연의 일치에 불과하다는 말입니까?
화학 원소가 매우 다양하다는 사실도 고려해 보십시오. 금과 수은은 독특한 빛깔을 지닌 원소들입니다. 하나는 고체인 반면, 다른 하나는 액체입니다. 하지만 이 원소들은 79번째와 80번째 원소로 서로 이웃에 위치해 있습니다. 금 원자에는 전자와 양성자가 79개씩 있고 중성자가 118개 있습니다. 반면에 수은 원자에는 전자와 양성자가 단지 1개씩 더 많을 뿐이며, 중성자 수는 거의 같습니다.
원자 속에 들어 있는 입자들의 배열이 약간씩 달라지면서 원소가 그토록 다양해지는 것이 우연에 불과하다는 말입니까? 또한 원자의 입자들을 함께 결합시켜 주는 힘은 어떠합니까? “가장 작은 입자에서부터 가장 큰 은하에 이르기까지 우주 만물은 물리 법칙이라고 일컬어지는 규칙을 따른다”고, 「별·원자 백과사전」에서는 설명합니다. 그러한 규칙들 가운데 하나가 바뀔 경우 어떤 일이 일어날지 상상해 보십시오. 예를 들어, 전자가 원자핵 주위를 계속 돌게 해 주는 힘에 변화가 생긴다면 어떻게 되겠습니까?
정밀하게 조정되는 물리적 힘
전자기력이 약해질 경우 어떤 결과가 있게 될지 생각해 보십시오. “전자가 더는 원자의 구속을 받지 않게 될 것”이라고, 데이비드 블록 박사는 저서인 「별을 관찰해 보면」(Star Watch)에서 지적합니다. 그것은 정확히 무엇을 의미합니까? “우주에서는 결코 화학 반응이 일어나지 못할 것이다!”라고 그는 부언합니다. 우리는 화학 반응이 일어날 수 있게 해 주는 정해진 법칙이 있는 것에 대해 크게 감사해야 할 것입니다! 예를 들면, 수소 원자 2개는 산소 원자 1개와 결합하여 소중한 물 분자 1개를 형성합니다.
전자기력은 원자핵을 붙들고 있는 강핵력의 100분의 1정도밖에 되지 않습니다. 이 비율이 바뀌면 어떻게 되겠습니까? “강핵력과 전자기력의 상대적인 힘이 조금이라도 달라지면 탄소 원자가 존재할 수 없게 된다”고, 과학자인 존 배로와 프랭크 티플러는 설명합니다. 탄소가 없으면 생명체도 존재할 수 없게 될 것입니다. 탄소 원자는 모든 살아 있는 유기체의 무게 가운데 20퍼센트를 차지하기 때문입니다.
중력에 비한 전자기력의 세기 역시 매우 중요합니다. 「뉴사이언티스트」지에서는 이렇게 설명합니다. “중력과 전자기력의 상대적인 힘에 약간의 변화만 있어도, 태양과 같은 별들은 청색 거성[생명체가 살 수 없을 정도로 너무 뜨거운 열을 발산하는 별]이나 적색 왜성[생명을 유지시켜 줄 수 있을 만큼 열을 발산하지 못하는 별]으로 바뀌고 말 것이다.”
또 다른 힘인 약핵력은 태양에서 핵반응이 일어나는 속도를 조절합니다. “약핵력은 태양에서 수소가 서서히 일정한 속도로 타기에 꼭 알맞을 만큼 약하다”고, 물리학자인 프리먼 다이슨은 설명합니다. 그 외에도 우주에서 발견할 수 있는 정교하게 균형이 잡혀 있는 법칙과 상태에 우리의 생명이 달려 있음을 보여 주는 많은 예를 들 수 있습니다. 과학 저술가 폴 데이비스 교수는 우주의 이러한 법칙과 상태를 한 세트의 스위치에 비하면서 이렇게 기술하였습니다. “우주에 생명체가 번성하게 되려면, 각각의 스위치를 대단히 정밀하게 미세 조정해야 할 것 같다.”
아이작 뉴턴 경이 중력의 법칙을 발견하기 오래 전에, 성서는 그러한 정해진 규칙 혹은 법칙을 언급하였습니다. 욥이라는 사람은 이러한 질문을 받았습니다. “네가 하늘을 지배하는 규칙을 공포하였느냐? 아니면 땅에 작용하는 자연의 법칙을 정하였느냐?” (욥 38:33, 신 영어 성서) 욥을 겸손해지게 만든 또 다른 질문으로는 “내가 땅의 기초를 놓을 때에 너는 어디에 있었느냐?” 그리고 “네가 알고 있다면, 누가 그 치수를 정하였느냐?”라는 질문이 있었습니다.—욥 38:4, 5.
[6면 네모]
필수 원소
화학 원소들인 수소, 산소, 탄소는 우리 몸에 있는 원자의 약 98퍼센트를 구성한다. 그 다음으로는 질소가 1.4퍼센트를 구성한다. 다른 원소들은 아주 적은 양밖에 존재하지 않지만 생명을 유지하는 데 꼭 필요하다.
[6, 7면 도표와 도해]
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발표 당시 과학자들은 이미 93번 원소부터 118번 원소까지 만들어낸 상태였다. 그런데 이 원소들은 예상대로 주기율표의 틀에서 벗어나지 않았다.
[자료 제공]
출처: Los Alamos National Laboratory
원소명 기호 원자 번호 (양성자의 수)
수소 H 1
헬륨 He 2
리튬 Li 3
베릴륨 Be 4
붕소 B 5
탄소 C 6
질소 N 7
산소 O 8
플루오르 F 9
네온 Ne 10
나트륨 Na 11
마그네슘 Mg 12
알루미늄 Al 13
규소 Si 14
인 P 15
황 S 16
염소 Cl 17
아르곤 Ar 18
칼륨 K 19
칼슘 Ca 20
스칸듐 Sc 21
티탄 Ti 22
바나듐 V 23
크롬 Cr 24
망간 Mn 25
철 Fe 26
코발트 Co 27
니켈 Ni 28
구리 Cu 29
아연 Zn 30
갈륨 Ga 31
게르마늄 Ge 32
비소 As 33
셀렌 Se 34
브롬 Br 35
크립톤 Kr 36
루비듐 Rb 37
스트론튬 Sr 38
이트륨 Y 39
지르코늄 Zr 40
니오브 Nb 41
몰리브덴 Mo 42
테크네튬 Tc 43
루테늄 Ru 44
로듐 Rh 45
팔라듐 Pd 46
은 Ag 47
카드뮴 Cd 48
인듐 In 49
주석 Sn 50
안티몬 Sb 51
텔루르 Te 52
요오드 I 53
크세논 Xe 54
세슘 Cs 55
바륨 Ba 56
란탄 La 57
세륨 Ce 58
프라세오디뮴 Pr 59
네오디뮴 Nd 60
프로메튬 Pm 61
사마륨 Sm 62
유로퓸 Eu 63
가돌리늄 Gd 64
테르븀 Tb 65
디스프로슘 Dy 66
홀뮴 Ho 67
에르븀 Er 68
툴륨 Tm 69
이테르븀 Yb 70
루테튬 Lu 71
하프늄 Hf 72
탄탈 Ta 73
텅스텐 W 74
레늄 Re 75
오스뮴 Os 76
이리듐 Ir 77
백금 Pt 78
금 Au 79
수은 Hg 80
탈륨 Tl 81
납 Pb 82
비스무트 Bi 83
폴로늄 Po 84
아스타틴 At 85
라돈 Rn 86
프랑슘 Fr 87
라듐 Ra 88
악티늄 Ac 89
토륨 Th 90
프로트악티늄 Pa 91
우라늄 U 92
넵투늄 Np 93
플루토늄 Pu 94
아메리슘 Am 95
퀴륨 Cm 96
버클륨 Bk 97
칼리포르늄 Cf 98
아인시타이늄 Es 99
페르뮴 Fm 100
멘델레븀 Md 101
노벨륨 No 102
로렌슘 Lr 103
러더포듐 Rf 104
더브늄 Db 105
시보귬 Sg 106
보륨 Bh 107
하슘 Hs 108
마이트너륨 Mt 109
110
111
112
114
116
118
[도해]
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주기율표상에서 원소들이 보여 주는 질서와 조화는 단지 우연을 반영하는 것인가, 지성적인 설계를 반영하는 것인가?
헬륨 원자
전자
양성자
중성자
[7면 도해와 삽화]
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네 가지 물리적 힘이 정밀하게 조정되고 있는 것을 무엇으로 설명할 수 있는가?
전자기력
강핵력
중력
약핵력
물 분자
원자핵
청색 거성
적색 왜성
태양