우주의 모든 원소는 재료 딱 두 가지로 만든 겁니다 — 원자핵 속을 열어보니

118가지 원소, 사실 레시피는 하나입니다

금, 산소, 우라늄, 탄소... 지금까지 인류가 확인한 원소는 118가지나 됩니다. 그런데 재밌는 사실 하나. 이 118가지를 만드는 데 쓰인 "재료"는 놀랍게도 딱 두 가지뿐입니다.

비유하자면 이렇습니다. 레고 블록이 딱 두 종류(빨간 블록, 파란 블록)만 있어도, 개수와 배열을 바꾸면 자동차도 만들고 성도 만들고 로봇도 만들 수 있죠. 원자핵도 똑같습니다. 양성자와 중성자, 이 두 종류의 블록을 몇 개씩 어떻게 뭉쳐 놓느냐에 따라 수소가 되기도 하고 우라늄이 되기도 하는 거예요.

지난 글에서 우리는 원자 한가운데 아주 작고 단단한 점, 원자핵이 있다는 걸 러더퍼드의 금박 실험으로 확인했었죠. 그런데 그 작은 점 안에는 대체 뭐가 들어있는 걸까요? 오늘은 그 안을 열어보겠습니다.

러더퍼드가 얼떨결에 찾아낸 첫 번째 블록

이야기는 다시 러더퍼드로 돌아갑니다. 원자핵의 존재를 밝혀낸 지 몇 년 뒤인 1917~1919년경, 러더퍼드는 질소 기체에 알파입자(헬륨 원자핵, 양전하를 띤 작은 입자)를 충돌시키는 실험을 하고 있었습니다. 그런데 충돌 후 튀어나온 입자들을 분석하다가 낯익은 녀석을 발견합니다. 바로 수소의 원자핵이었어요.

생각해보면 수소는 원소 중 가장 단순합니다. 원자핵에 딱 하나의 알갱이만 들어있거든요. 러더퍼드는 이 알갱이가 다른 모든 원자핵을 구성하는 기본 단위일 거라 확신하고, 여기에 "첫 번째"라는 뜻의 그리스어에서 따온 이름을 붙입니다. 그게 바로 양성자(proton)입니다. 전하는 +1(양전하 하나), 원자핵의 정체성을 결정하는 입자죠. 원자핵 속 양성자 개수가 곧 그 원소가 "무슨 원소인가"를 정해줍니다 (예: 양성자 1개면 무조건 수소, 6개면 무조건 탄소).

그런데 계산이 안 맞습니다 — 숨어있던 두 번째 블록

문제는 여기서 시작됩니다. 원자핵의 무게를 재보니, 양성자 개수만으로는 도저히 설명이 안 되는 경우가 대부분이었거든요. 예를 들어 헬륨 원자핵은 양성자가 2개뿐인데 무게는 양성자 2개의 약 4배에 달했습니다. 양성자 말고 뭔가 무게는 나가지만 전하는 없는 "제3의 존재"가 숨어있다는 심증이 짙어졌죠.

이 미스터리는 무려 10여 년 넘게 풀리지 않다가, 1932년 영국의 물리학자 제임스 채드윅이 마침표를 찍습니다. 베릴륨에 알파입자를 쏘았을 때 나오는 정체불명의 방사선을 정밀 분석한 끝에, 전하가 전혀 없고 양성자와 질량이 거의 비슷한 새로운 입자를 확인해낸 거예요. 이름하여 중성자(neutron). "중성적이다"라는 뜻 그대로, 전기적으로 완전히 중립인 입자입니다. 채드윅은 이 공로로 1935년 노벨 물리학상을 받습니다.

이렇게 원자핵의 두 재료가 모두 밝혀졌습니다. 양성자와 중성자를 합쳐 부르는 말이 바로 핵자(nucleon)입니다. "원자핵 = 핵자들의 뭉치"이고, "핵자 = 양성자 + 중성자"라는 것, 이게 오늘 글의 핵심입니다.

그래서 둘이 뭐가 다른데?

정리해보면 이렇습니다.

• 양성자: 전하 +1, 원자핵의 정체성(무슨 원소인가)을 결정
• 중성자: 전하 0(중성), 양성자와 질량은 거의 비슷하지만 아주 살짝(약 0.14%) 더 무거움

여기서 "거의 비슷하다"는 표현에 주목해주세요. 실제로 재보면 중성자가 양성자보다 미세하게 무겁습니다. 얼마나 미세하냐면, 그 차이가 대략 전자 질량의 두 배 남짓 수준이에요. 일상 감각으로는 거의 무의미한 차이지만, 핵물리학에서는 이 미세한 차이가 방사성붕괴의 방향성을 설명하는 데 은근히 중요한 역할을 합니다 (이 이야기는 나중 편에서 다시 다루겠습니다).

양성자들끼리는 원래 밀어내야 정상 아닌가요?

이쯤에서 자연스러운 의문이 듭니다. "같은 양전하를 띤 양성자 여러 개가 원자핵 한 점에 다닥다닥 뭉쳐있다면, 서로 밀어내다가 흩어져버려야 하는 거 아닌가?" 정확한 지적입니다. 전자기력만 놓고 보면 원자핵은 존재할 수가 없어요.

여기서 등장하는 게 바로 강한 핵력(strong force)입니다. 자연계에는 중력, 전자기력, 약한 핵력, 강한 핵력이라는 네 가지 기본 힘이 있는데, 이 중 강한 핵력이 압도적으로 가장 셉니다. 양성자 사이의 전기적 반발력 따위는 가볍게 이겨버릴 정도로요.

다만 강한 핵력에는 결정적인 단점(?)이 하나 있습니다. 사거리가 지독하게 짧다는 거예요. 마치 강력 접착식 찍찍이(벨크로)처럼, 딱 붙어있을 땐 무엇보다 강하게 붙잡지만, 살짝만 떨어지면 그 힘이 순식간에 사라집니다. 실제 작용 범위는 원자핵 크기 수준인 1~3펨토미터(1펨토미터 = 1000조분의 1미터) 안쪽뿐입니다. 그 밖에서는 사실상 없는 힘이나 마찬가지예요.

이 "엄청나게 세지만 지독하게 짧은" 특성 덕분에, 핵자들은 서로 다닥다닥 붙어있을 때만 강한 핵력의 보호를 받고, 원자핵이 너무 커져서 핵자들 사이 거리가 벌어지면 이 보호막이 힘을 잃습니다. 반면 양성자 사이의 전기적 반발력은 거리와 상관없이 원자핵 전체에 누적되죠. 그래서 원자핵이 무거워질수록(양성자가 많아질수록) 강한 핵력의 결속력과 전기적 반발력 사이의 힘겨루기가 점점 불리해지고, 이게 무거운 원소일수록 불안정해서 방사성붕괴를 겪거나 핵분열을 하기 쉬운 근본적인 이유입니다.

숫자로 다시 확인해봅시다

여기서 Z는 양성자 수, N은 중성자 수입니다. 이 둘을 더한 값 A를 질량수(mass number)라고 부릅니다. 말 그대로 원자핵을 이루는 핵자의 총 개수예요. 예를 들어 탄소-12는 양성자 6개 + 중성자 6개로 질량수 12, 우라늄-235는 양성자 92개 + 중성자 143개로 질량수 235가 됩니다.

여기서 미리 짚어드릴 게 하나 있습니다. 질량수(A)는 정수(핵자 개수를 세는 값이니 당연히 딱 떨어지는 정수)인 반면, 우리가 주기율표에서 흔히 보는 "원자량"은 12.011처럼 소수점이 붙어있죠. 이 둘은 서로 다른 개념인데, 이 차이와 그 이유(동위원소 존재비의 가중평균)는 다음 편에서 제대로 다뤄보겠습니다. 오늘은 "질량수 = 핵자 개수의 합"이라는 것만 기억해두시면 충분합니다.

이게 원자로 설계랑 무슨 상관이길래

"그래서 이 두 블록 이야기가 원자력이랑 무슨 상관이야?"라고 물으실 수 있겠죠. 사실 이건 원자로 물리의 가장 근본적인 출발점입니다.

핵심은 중성자가 전하를 갖지 않는다는 바로 그 특징에 있습니다. 양성자처럼 전하를 띤 입자가 원자핵에 접근하려면 전기적 반발력이라는 관문을 뚫어야 하지만, 중성자는 전하가 없어 이 반발력 없이 원자핵에 곧장 다가갈 수 있습니다. 그래서 원자로에서 핵분열 연쇄반응을 일으키는 "심부름꾼" 역할은 늘 중성자가 맡습니다. 만약 중성자에도 전하가 있었다면, 원자핵에 접근하는 것 자체가 훨씬 어려웠을 거고, 지금 우리가 아는 방식의 원자로는 애초에 성립하기 어려웠을 거예요.

또한 양성자 수(원자번호)와 중성자 수의 조합이 원자핵마다 다르고, 이 조합에 따라 원자핵이 안정적인지 불안정한지(방사성인지 아닌지)가 갈립니다. 같은 원소(양성자 수는 같음)라도 중성자 수가 다른 여러 버전이 존재할 수 있는데, 이걸 동위원소라고 부릅니다. 동위원소가 원자력공학에서 왜 그렇게 중요하게 다뤄지는지는 분량 관계상 다음 편에서 본격적으로 다루겠습니다. 오늘은 "핵자 구성의 미세한 차이가 원자핵의 성질을 완전히 바꿔놓을 수 있다"는 것만 살짝 예고해두죠.

오늘의 한 줄 정리

• 원자핵은 양성자와 중성자, 단 두 종류의 블록(핵자)으로 이루어져 있다
• 양성자(전하 +1)는 원자핵의 정체성을 결정하고, 중성자(전하 0)는 양성자와 질량은 비슷하지만 전하가 없다
• 러더퍼드가 양성자를(1917~1919년경), 채드윅이 중성자를(1932년) 확인하면서 원자핵의 실체가 완성되었다
• 강한 핵력은 자연계 4가지 힘 중 가장 세지만 작용 범위가 극히 짧아, 이 균형이 무거운 원자핵일수록 불안정해지는 이유를 설명한다
• 질량수(A) = 양성자 수(Z) + 중성자 수(N)이며, 중성자가 전하 없이 원자핵에 접근할 수 있다는 사실이 원자로 물리의 핵심 출발점이다
• 동위원소, 원자량과 질량수의 차이 등 더 깊은 이야기는 다음 편에서 이어진다