[스크랩] 물(水)강좌(1): 우주는 어떻게 태어난 것인가?

물(水)강좌(1): 우주는 어떻게 태어난 것인가?

생물의 세계에서 물 만큼 중요하고, 생명에 직접적으로 관여하고 있는 것은 없다. 그럼에도 물만큼 학대받는 물질도 없을 것이다. 필자가 학대(虐待)라는 말을 쓴 것은, 지나친 감은 있으나, 오늘날, 우리들이 물을 어떻게 취급하고 있는지 눈여겨 살펴보면, 독자들도 이해(理解)가 갈 것이다. 

물은 물이지 그 이상도 이하도 아니다. 물이 얼마나 어려운지 물에 대한 연구로 2003년이 되어서야, 미국의 피터-아그리(Peter Agri) 교수가 노벨상을 수상했다. 물(자체)이 중요한가?  우리 신체(세포막)에 설치된 물 통로(Water-Channel)가  중요한가? 같은 질문은 전문가의 영역이긴 하지만, 현대에 살고 있는 생명의 실체자로서, 그 해답을 회피하는 것은, 물과 신체에 대한 학대(虐待)라는 것이다. 

우리 생명의 실체에 담겨있는 물은 몸무게의 2/3이나 차지한다. 그것으로 물은 중요한 의미를 가진다.  상업성이거나 건강성을 제외한 물의 기능과 작용, 그리고 생명과의 관계, 나아가 우리의 의식(衣食)에 까지 넘나드는 물의 정서를 망라하여 독자들과 함께 풀어나갈 것이다.

현재의 우주론에 의하면, 우주에는 처음엔 물질이란 전혀 없었으며, 에너지만 가득 찬 상태였다고 한다.  그렇지만, 약 150억 년 전에, 어느 한 점(点)에서 응축(凝縮)한 초고온, 초고압의 에너지-덩어리가 생겨나서, 이것이 빅뱅(big bang)을 일으켰다는 것이다.

따라서 대폭발이 팽창함에 따라 온도가 낮아지고, 무수한 소립자(素粒子)가 형성되었으며, 즉시 이들은 복합반응을 반복하면서, 여러 가지 원소, 즉 원자가 만들어졌다. 이렇게 하여, 소위 물질세계가 탄생했다는 것이 현재의 우주론이다.  

물리학자 아인슈타인(1879~1955년)이 1916년에 제창한 상대성이론에 의하면, “에너지와 물질(질량)과는 역학적으로 등가(等價)이다. (E=mc²: 여기서 E=에너지, m=질량 C=광속) 즉 우주에너지는 소립자로 변환되어, 분자나 원자로 된다. 또 각종의 원자는 짝을 지어 변함으로서 여러 가지 분자로 된다.” 

그럼 원자란 무엇인가?  이 대목이면 항상 생각나는 교수한분이 있다. 필자의 대학시대 에 명쾌한 강의로 유명했던 철학과 신일철 교수님 이였다. 필자는 그때 처음 모든 학문이 철학과 연결되어 있음을 처음으로 알았다. 

원자(atom)란 고대 그리스시대의 철학자 “데모크리토스” (BC460~370년경)에 의해서 다음과 같은 개념이 만들어졌다. 우주에 존재하는 일체의 것(만물)은, 더 이상 작게 나눌 수 없는 최소의 입자(粒子)로 만들어져 있다.  그리고 그 기본입자를 atom(atom, a=not, tom=cut, atom은 나눌 수 없다는 뜻)이라는 이름이 붙여졌다.

이 <만물의 근원은 원자이다>라는  “데모크리토스”의 생각은 , 19세기에 들어서 영국의 화학자 달톤(Dalton=1766~1844년)에 의하여 채택되어, 근대적인 원자설로 다시 고쳐졌다. 즉 <만물은 일정의 성질과 질량을 가진 원자로 되어있다.>로  하는 약간 새로운 개념이 탄생했다.  

실제로는 19세기에서 20세기 초 까지, 원자스펙탈의 연구나, 양자물리학의 발달에 따라 원자의 존재가 실험적으로 증명되었다. 그러나 근대에 들어와서, 분할할 수 없다고 한 원자가 더 작은 소립자로 나눌 수 있음이 증명되었다. 그렇지만, 분할 가능한 입자(粒子)가 어떻게 존재하는가는 아직 밝히지 못했다.

빅뱅 후에 우주진화에 있어서, 소립자의 다중(多重)한 응집에 의해서, 92종의 원자가 합성되었다. 즉 수소에서 우란까지였다. 이 원자가 생겨 날 때는 일정한 법칙이 있었다. 즉 중심에는 원자핵이 있고, 이것을 돌고 있는 층(層)이 몇 겹으로 되어 있다. 이들 층은 전자가 돌고 있는 궤도로, 각(殼)이라 부른다.

이들 각(殼)은, 원자핵에 가장 가까운 각을 제1각, 다음을 제2각, 제3각, 제4각이라 하며, 각 각(殼)에는 전자가 일정수로 들어있다. 즉 제1각에는 2개의 전자, 제2각에는 8개의전자, 제3각에는 8전자와 같이 들어있다. 이렇게 제1각부터 차례로 전자가 채워지면, 다음 각으로 넘어간다. 이와 같은 원자에 있어서 원자핵과 전자의 상태를 “원자구조”라 한다.

여기에서 아주 중요한 요점은 <원자의 화학적 성질은 최외각의 전자배치에 따라서 생긴다.> 라는 사실이다. 원소의 주기율표에는 이와 같이 전자배치에 따라서 설명되고 있다. 또 하나 중요한 점은, 우주에는 92종류의 원자가 존재하고 있는데, 각각에는 원자번호가 붙여져 있다는 사실이다.

예를 들면, 수소는 1, 헬륨(He)은 2, 탄소(C)는 6, 질소(N)는 7, 산소(O)는 8, 네온(Ne)은 10 이라고 맞추어 놓았다. 이들 원자번호는 <전자의 수>를 나타내고 있다.

원자는 원래는 중성으로서, 전하를 가지지 않는다. 그러나 전자는 (-)전하를 가지고 있어서, e^-(electron)로 표시한다. 이에 상대적으로 원자핵은 (+)전하를 가지고 있다.  따라서 원자핵을 가지고 있는 소립자는 (+)전하를 가지고 있는 양자(proton)와 전하가 없는 중성자(neutron)와 (-)전하를 가진 전자를 가졌기 때문에, 전체로서 원자는, 중성이며, 전기적으로 제로(0)인 것이다. 

(참고: ①中村 運<H₂O의 科學> 日本 培風館, 2004. ②上平 恒 <水의 分子工學> 日本 講談社, 2002. ③多田羅 恒雄<水의 分子生理>,日本 MEDSI,1998. ④中西節子 外 < 細胞中의 水>, 東京大學, 2006)

출처 : 서울프로폴리스

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