원자력의 파괴력, E=mc2 증명(2)

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<핵물리학에 도전한다>

앞에 설명한 내용들은 거의 모두 노벨상과 관계될 정도로 어려운 핵물리학에 관한 내용이므로 다소 딱딱하게 느껴지게 마련이다. 특히 핵물리학이라 하면 일본에 투하된 원자폭탄이나 방사능을 연상하므로 으스스하게 들리기도 한다. 그러나 이들이 실제로 우리 생활에 접목된 지 오래되었으므로 이를 피할 수 없는 세대가 된 것은 사실이다.

 

위의 설명을 이해하기 쉽도록 가능한 한 풀어서 다시 한 번 설명하면 질량이라는 것이 매우 농축된 형태의 에너지라는 점이다. 원자핵은 밀도가 높고 무거워 원자 무게의 대부분을 차지하지만 부피에서 차지하는 것은 거의 없다. 대부분의 물질에 있어서 원자핵은 안정되어 있으므로 변화하지 않는다. 그런데 어떤 원자핵들은 깨지면서 강한 에너지 입자를 내놓는데 이 입자의 흐름을 방사선이라 한다. 이 과정에서 핵의 질량 중 일부가 에너지로 변한다. 에너지는 핵이 분열할 때나 혹은 융합할 때도 나오는데 어떤 경우든 원자핵으로부터 나오는 에너지는 질량의 변환으로부터 나온다는 것을 이해할 필요가 있다.

원자의 속은 거의 텅 빈 상태다. 우라늄 원자핵이 볼링공이라 하면 궤도상의 전자는 서울 크기 만한 면적 위에 흩어져 있는 92개의 모래알 정도다. 그런데 핵은 원자의 질량 중 거의 대부분을 차지한다. 달리 말하면 원자의 크기를 정하는 것은 전자이고 무게를 정하는 것은 핵이다. 이렇게 거대한 질량이 조그만 부피 안에 채워져 있으므로 핵 안에 갇혀 있는 에너지는 상상을 초월한다. 이 때문에 원자 핵 안에서 변화를 일으키는 원자폭탄이 재래식 폭탄보다 훨씬 큰 파괴력을 갖는다.

핵에너지에 대해 먼저 설명한다. 핵을 이루는 두 개의 주요 입자 즉 양성자와 중성자는 핵의 구조 안에서 강한 힘으로 결합되어 있다. 이를 역으로 말한다면 핵의 구조를 바꾸는데 엄청난 양의 에너지가 필요하다는 뜻이다. 원자 변두리의 전자는 궤도를 이동하면서 가시광선을 내보낸다. 그런데 핵 안에서 양성자나 중성자가 변화하면 가시광선의 수백만 배의 에너지를 갖는 X선을 내놓는다. 그러므로 핵으로부터 얻을 수 있는 에너지는 핵 이외의 부분으로부터 얻을 수 있는 에너지보다 훨씬 크다. 다시 한 번 이야기하지만 거의 모든 핵에너지가 질량의 변환으로 생겨난다는 뜻이다.

핵이 가진 에너지를 이용하는 방법은 핵분열과 핵융합 두 가지가 있다.

두 방법에서 얻어지는 에너지는 질량의 변환을 통해 얻어지는데 두 경우 모두 핵반응 이후의 질량이 이전의 질량보다 작다. 핵이 두 조각 또는 여러 조각으로 쪼개지는 것이 핵분열이다. 일반적으로 이 파편들의 질량을 합한 것은 최초의 핵의 질량보다 크다. 그러므로 핵을 분열시키려면 에너지를 투입해야 한다. 그런데 어떤 경우에는 파편들의 질량이 당초 원자의 질량보다 작을 때가 있다. 이 경우 핵분열은 에너지를 방출하며 이것을 통상 ‘핵에너지’라고 부른다.

분열할 때 에너지를 내는 것으로 잘 알려진 핵이 92개의 양성자와 143개의 중성자를 가진 우라늄235이다. 속도가 느린 중성자가 우라늄235와 충돌하면 핵은 거의 같은 두 개의 파편으로 쪼개지고 두세 개의 중성자가 튀어나온다. 그런데 이 두 개의 조각과 두세 개의 중성자(평균 2.47개)의 질량은 당초 원자핵의 질량보다 작고 이 질량의 차이가 에너지로 변한다.

실제로 1g의 우라늄이 분열하면서 방출하는 에너지는 9×1016줄(J)이다. 이 에너지는 3.2톤의 석탄, 267리터의 석유, 21톤의 TNT가 내뿜는 에너지와 비슷하다. 더구나 각 단계의 반응이 일어나는 시간 간격이 겨우 50조 분의 1초밖에 되지 않으므로 아주 짧은 시간 동안에 엄청난 양의 에너지가 방출되기 때문에 핵분열에 의한 반응은 가공할 만한 위력을 발휘한다.

참고적으로 TNT는 트리니트로톨루엔(trinitrotoluene)이라는 화합물이 원료인 폭탄이다. TNT는 1983년 독일 화학자 요제프 빌브란트(Joseph Wilbrand)가 최초로 제조하였으며, 1891년 독일에서 최초로 대량 생산을 시작하였다. TNT는 폭속도 7,028m/s를 폭발계수 1.0으로 잡고 폭탄이나 기타 폭발물의 폭발력에 대한 기준으로 사용된다. 일반적으로 잘 알려져 있는 다이너마이트는 알프레드 노벨(Alfred Nobel, 1833〜1896)이 니트로글리세린을 주원료로 하여 발명한 폭탄이다. 다이너마이트는 폭발력이 TNT보다 60%정도 더 강하면서도 안전하게 사용할 수 있으므로 폭발적으로 보급되었으며 결국 이것이 노벨상의 기본이 된 것이다.

원자폭탄의 이론적 근거를 제시한 E=mc^2 즉 질량과 에너지 사이의 관계에 대한 아인슈타인의 공식을 ‘등가원리’라고 한다. 여기서 E는 에너지이고 m은 질량인데 c2이 30만 킬로미터/초 x 30만 킬로미터/초라는 사실을 염두에 두면 단위 질량이 에너지로 전환되는 량이 얼마나 어마어마한 숫자인지를 알 수 있다. 간략하게 말해 물질 1킬로그램의 에너지는 TNT 20,000,000톤에 해당한다. 이 양이 얼마나 큰가는 히로시마에 투하된 원자폭탄이 TNT 12,000〜15,000 톤 정도임으로도 알 수 있다.

아인슈타인의 공식은 원자의 질량을 정확히 결정함으로써 어떤 원자로부터 얼마나 많은 에너지가 방출될 수 있는지를 미리 계산할 수 있게 해 준 것으로도 중요성이 있다. 이 공식은 원래 상대성이론에 포함되어 있는 것은 아니고 1905년에 발표된 보완 논문에서 다루어 진 것이다. <사이언스 일러스트레이티드>는 독자들에게 이 식의 의미를 설명하는 다음 글을 싣고 있다.

 

‘아인슈타인은 어떤 주어진 질량 내에 엄청난 양의 에너지가 잠재되어 있지만 에너지가 그 질량의 원자들 속에 갇혀 있기 때문에 일상생활에서는 그 에너지가 발현되지 않고 단지 핵분열에 의해서만 그 에너지가 방출될 수 있다고 했다.’

 

이것이 소위 원자폭탄의 이론이다.

약 10킬로그램 정도의 우라늄235를 각각 따로 보관하면 우라늄 덩어리 자체가 열과 중성자를 내뿜기는 하지만 폭발하지는 않는다. 그런데 이 10킬로그램짜리 우라늄 덩어리 두 개를 한데 붙여 놓으면 중성자의 수가 갑자기 늘어나 통제할 수 없는 중성자의 홍수를 이루는데 이 중성자의 홍수가 바로 핵폭발이다. 원자폭탄이란 바로 이 원리를 이용하여 정교하게 깎은 두 개의 반구형 우라늄235 덩어리를 따로 떼어서 재래식 폭탄으로 감싸 놓았다가 순간적으로 결합시키는 것이다. 이것은 우라늄235가 서로 떨어져 임계질량(핵분열 물질이 연쇄반응을 일으킬 수 있는 최소의 질량)이하가 되면 폭발이 되지 않는다는 것을 뜻한다.

참고적으로 우라늄235의 임계질량은 16킬로그램, 초임계질량은 25킬로그램으로 대체로 소프트볼 크기다. 플루토늄239의 임계질량과 초임계질량은 각각 8킬로그램과 12킬로그램으로 야구공 크기로 알려진다. 바꿔 말하면 원폭을 만들려면 10킬로그램 정도의 플루토늄, 20킬로그램 정도의 우라늄235가 있어야 한다는 뜻이다.

이들 핵분열로 인해 발생되는 것이 악명 높은 방사능이다. 대부분의 원자핵은 안정적이다. 우리 몸 속에 있는 탄소나 칼슘의 원자핵은 수십억 년 전에 만들어졌을 때와 마찬가지로 똑같다. 그런데 어떤 원자핵은 이런 성질을 갖지 못하고 저절로 붕괴되면서 수많은 파편들을 쏟아낸다. 이러한 원자핵들은 방사성이 있어 이 붕괴과정을 ‘방사성붕괴’라고 한다. 이 붕괴과정에서 방출되는 입자들의 흐름이 방사능이다. 우라늄의 모든 동위원소는 방사능을 갖고 있으며 탄소14, 스트론튬90 같은 동위원소들도 방사성을 갖고 있다. 방사성을 가진 원자핵의 집단은 붕괴되는 시기가 서로 다른데 어떤 집단 속의 원자핵들 중 2분의 1이 붕괴하는 데 걸리는 시간을 반감기라고 정의한다. 우라늄의 가장 흔한 동위원소인 우라늄238의 반감기는 지구의 나이와 거의 같은 45억 년이며 플루토늄의 동위원소들은 반감기가 짧아 십억 분의 1초밖에 안 된다.

핵분열이라면 반드시 등장하는 방사선이 마리 퀴리 등에 의해 발견되자 러더퍼드는 각각 다른 형태의 붕괴로부터 나오는 세 가지의 방사선이 있다고 생각했다. 이를 알파(α)선, 베타(β)선, 감마(γ)선이라 불렀다.

어떤 원자핵이 알파붕괴를 하면 두 개의 양성자와 두 개의 중성자로 이루어진 입자(헬륨 원자핵)의 흐름을 방출하는데 이를 알파입자라고도 부른다. 알파붕괴가 끝나면 당초의 원자핵에서는 두 개의 양성자와 두 개의 중성자가 빠져 나간 상태가 된다. 이 상태의 원자핵은 자신이 가진 전기력으로는 현재의 전자 전체를 유지할 수 없으므로 전자 두 개가 떨어져 나간다. 이렇게 되면 두 개의 양성자와 두 개의 전자가 줄어든 원자가 생긴다. 즉 화학적으로 완전히 다른 새로운 원자가 탄생하는 것으로 알파붕괴는 핵의 질량뿐 아니라 원자의 본질까지 바꾼다. 예를 들어 우라늄238은 알파입자를 방출하면서 붕괴되고 종국에는 토륨234가 된다. 학자들은 이런 성질을 갖고 있는 알파붕괴와 베타 붕괴를 현대판 ‘철학자의 돌’ 즉 ‘마법의 돌’이라 부른다. 중세의 연금술사들이 납과 같은 저급 금속을 금으로 바꿔줄 수 있다고 믿었던 바로 그 돌이다. 원리 자체는 결코 틀린 것은 아니지만 실험실에서 만들 수 있는 것은 아니므로 연금술사 모두 금을 만드는데 실패한 것이다.

베타붕괴에서는 핵 속의 중성자가 전자를 방출하면서 양성자로 변한다. 이렇게 되면 당초의 핵은 질량은 거의 똑같지만 양성자를 하나 얻고 중성자를 하나 잃은 것이 된다. 이 설명은 베타붕괴는 핵의 본질은 바꾸지만 질량은 바꾸지 않는다는 것을 의미한다. 추후에 ‘베타입자’라는 이름은 전자의 흐름을 뜻하지만 오늘날도 가끔 전자의 흐름을 가리켜 ‘베타선’이라 부르는 이유다. 베타붕괴는 핵과는 전혀 관계없이 독립적으로 중성자가 붕괴하는 것이다. 중성자는 혼자 놔두면 양성자와 전자, 그리고 반감기가 약 8분인 뉴트리노라는 입자로 붕괴한다.

마지막으로 감마붕괴는 핵 속의 양성자와 중성자가 배열을 바꾸는 것이며 그 결과 X선의 형태로 전자파가 방출된다. 감마선은 상당히 강력하므로 어떤 물질에 집중적으로 쪼여 살균 저장 등에 이용한다. 그러나 이들 어떤 물질이 방사선에 쪼인다고 해서 그 물질 스스로 방사선을 방출하는 방사성 물질로 되는 것은 아니다.

현재 많은 식품 특히 과일을 오랫동안 보존하기 위해 방사선을 쪼이고 있는데 방사선에 쪼인 식료품에서 방사선이 나오지 않을까 걱정한다. 그런데 아주 강한 감마선을 이용하여 감자에 집중적으로 쏘여 살균 등에 이용하는데 감마선이 그대로 감자를 통과하거나 아니면 감자 속에서 사라진다. 감마선을 쏘이고 난 후의 감자는 방사선이 전혀 나오지 않는 보통의 감자와 똑같다는 말이다. 주파수는 1019Hz이상이다.

원전에서는 중성자선도 발생된다. 중성자선도 감마선처럼 방사선의 한 종류로 감마선과 같이 전기를 전혀 띠지 않는 중성이다. 감마선과의 차이점은 중성자선은 중성자라는 조그마한 알맹이의 흐름이라는 것이다. 원자핵 속에 있는 중성자는 정지해 있어 아무런 힘이 없지만 일단 핵에서 튀어나온 중성자선은 상당한 힘이 있어 얼마든지 여행이 가능하다. 우주에서 오는 중성자선도 있지만 숫자가 그리많지 않으며 원자로 속에서 나오는 중성자는 물이나 두꺼운 콘크리토로 막아 놓아 외부로 나가지 않도록 조치한다.

위의 설명을 보다 풀어서 설명하면 강력한 에너지를 가지고 있는 방사선은 물질을 뚫고 지나가는 힘이 있다. 방사선이 물질을 뚫고 지나갈 때 그 물질에 에너지를 전달하기 때문이다. 알파선은 입자이기 때문에 알파입자라고도 하는데 방사선이라기보다는 아주 가벼운 물질의 원자핵이라고 하는 편이 옳다. 알파선은 그 무게가 베타선에 비해 약 7천배가 넘게 매우 무겁다. 가진 에너지는 많지만 그 무게가 매우 무거우므로 투과력이 약해 종이 한 장으로도 차단할 수 있을 정도이다.

그러므로 알파선이 우리 몸 밖에 있으면 아무런 피해도 끼칠 수 없다. 우리 몸 전체는 죽어 있는 아주 얇은 세포층으로 덮여 있는데 알파방사선은 이 죽은 세포층조차 뚫고 들어갈 힘이 없기 때문이다. 그러나 알파선을 내는 아주 미세한 물질들이 음식물이나 호흡기관 등을 통해서 사람의 몸 속에 들어가면 사태는 달라진다.

알파선은 무겁고 많은 전기를 띠므로 기동성이 없어 멀리 가지는 못하지만 짧은 거리 내에 많은 에너지를 한꺼번에 쏟아붓고 우리 몸속에는 세포 보호층인 죽은 세포층이 없기 때문에 알파선이 내는 물질이 일단 몸속에 들어가면 상당한 피해를 입힐 수 있다.

베타선은 전자의 흐름으로 속도가 매우 빨라 빛의 속도에 가까운 것도 있다. 무게는 알파입자의 수천분의 1에 지나지 않으므로 질량에 비해 전하량이 매우 커서 전기장이나 자기장에서 크게 휘며 투과력은 알파선보다 강하다. 보통 1~2cm의 물이나 손바닥 정도의 신체 부위는 통과한다. 그러나 얇은 플라스틱이나 금속은 통과할 수 없다. 한편 감마선은 X선이나 빛과 같은 전자파이므로 투과력이 매우 강하다. 보통 병원에서 사용하는 X선보다 강해 우리 몸뿐만 아니라 2cm 두께의 납도 통과할 수 있다. 우라늄238로 위 내용을 다시 설명한다.

우라늄238은 금, 은, 수은보다도 훨씬 많이 지각 속에서 발견되는 물질이다. 우라늄238은 우선 알파붕괴를 통해 토륨234가 되고 이어서 베타붕괴를 통해 프로탁티늄234가 된다. 이것의 반감기는 24일이다. 이 원자핵은 다시 베타붕괴를 통해 반감기가 2분인 우라늄234가 되고 우라늄234는 알파입자를 방출하고 반감기가 25만 년인 토륨230으로 변한다. 이러한 일련의 과정은 안정된 원소인 납208로 변할 때까지 계속된다. 우라늄238의 붕괴사슬에서 반드시 생겨나는 방사성 물질이 있는데 그것은 라돈(원자번호 86, 질량수 222)으로 공기보다 7.5배 가량 무거운 무색무취의 기체다. 라돈은 알파붕괴를 계속하며 납214, 비스무스214, 폴라늄214를 거쳐 최종적으로 가장 안전한 상태인 납210이 된다. 라돈이 납으로 되는데 걸리는 시간은 1시간도 채 안되는데 이는 그만큼 라돈이 한꺼번에 많은 방사선을 내고 빠른 다른 물질로 바뀌기 때문이다.

자연계에는 물질의 종류에 따라 스스로 방사선을 내는 것들이 있는데, 태양으로부터 나오는 빛에너지가 이에 해당한다. 지구가 처음 생성될 때 만들어졌거나 우주에서 오는 방사선과 대기 중 물질이 반응해 생성된다. 지구에는 70여 종의 자연 방사성 물질이 있다. 가장 양이 많은 것은 ‘토륨’이고 가장 위험한 것은 앞에 설명한 기체인 ‘라돈’이다. 라돈은 호흡을 통해 몸속으로 들어온 후 기관지나 허파꽈리에 달라붙어 폐암을 일으키기도 하는데 탄광이나 지하철 공사장에 많이 있다.

참고적으로 인류가 우라늄을 사용하기 시작한 것은 매우 오래되었다. 1912년 옥스퍼드 대학의 갠트 교수는 이탈리아의 나폴리 근처에서 고대 로마의 유적을 발굴하다가 매우 아름다운 유리 모자이크 벽화를 발견했다. 약 2천 년 전에 착색된 유리의 색은 조금도 퇴색되지 않았다. 갠트교수는 고대 로마인이 사용했던 안료 성분에 흥미를 갖고 영국의 화학자 마클레에게 분석을 의뢰했다.

마클레 박사는 특별한 것은 발견되지 않았지만 질량으로 따져 보았더니 1.5퍼센트에 달하는 혼입물이 섞여 있다고 설명했다. 그러나 그는 그 혼입물의 정체를 설명할 수는 없었다. 이때 그 혼입물 속의 방사능을 조사해보면 어떨까 하는 아이디어를 제시했다. 혼입물이 실제로 방사능을 내 놓았기 때문이다.

미지의 혼입물은 우라늄의 산화물로 새로운 발견은 아니었다. 놀랍게도 우라늄염은 오래 전부터 유리의 착색에 이용되고 있었다. 학자들은 유리가 우라늄을 실용적으로 이용한 최초의 사례로 인식한다. 하지만 일부 학자들은 고대 로마의 유리에 우라늄이 포함된 것은 우연으로 치부했다. 로마인이 고의로 방사성물질을 유리에 넣었다고는 상상할 수 없었기 때문이다.

그런데 미국의 고고학자이자 화학자인 켈리가 이 문제에 도전했다. 켈리는 수많은 유리 유물들을 분석한 결과 고대 로마 유리의 대부분에 우라늄이 들어있다는 것을 발견했다. 로마인들은 우라늄이라는 광물을 알고 있었고 이를 유리의 착색에 이용한 것이다.

 

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