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상생지기
물리학에서 바라본 세상

생명현상과 E = mc^24

06-09-14 나나 1,357
전기 에너지를 기계적 에너지로 변환하거나 또는 열에너지를 기계적 에너지로 변환하는 것은 모두 에너지를 발생시키는 것이 아닌 에너지의 형태만 변환되는 것이다.

 

그러면 인간이 사용하는 대부분의 에너지는 어디서 얻는 것일까?

 

이것은 아인슈타인이 만든 대표적인 수식인 질량과 에너지에 대한 관계식인 E = mc^2 에 의한 것이다. 하지만 이것도 질량이 에너지로 변한 것에 불과하다.

 

이 수식은 그 단순함 때문에 모든 사람이 좋아하는 수식이다. 그러나 우리들이 얻는 모든 에너지가 이 수식에 의해서 발생된다는 것을 이해하는 사람은 많지 않은 것 같다. 우리가 일반적으로 얻는 열은 C + 2O ==> CO2, 또는 O + 2H ==> H2O 등과 같이 산화되면서 발생되는 열을 이용한다. 이때 발생되는 열은 위 화학식의 양변의 질량의 차이, 즉 질량의 감소에 의해서 열이 발생된다. 이때 일반적으로 약 10^-8 %의 질량이 감소되어 에너지(열)가 발생된다.

 

이것이 우리 몸이 음식을 받아들여서 힘을 발생시키는 기본 원리이다.

모든 생명들은 이와 같은 화학변환 과정에서 발생되는 에너지로 생명작용을 한다.

 

간단한 예를 들면, 탄소(C)와 산소(O)가 결합하여 새로운 특성의 이산화탄소(CO2)가 생기고 그 반응과정에서 에너지가 발생되며 생명작용은 이와 비슷한 반응들에 의해서 생성된 에너지로 유지된다. 그래서 동물들은 산화과정에서 발생되는 에너지를 얻기 위해서 숨을 쉬어서 산소를 공급받아야 생명활동을 할 수 있는 것이다.

 

이 외에 우라늄(U)의 핵분열에서는 약 0.1%의 질량감소가 일어난다. 또한, 수소(H)가 헬륨(He)으로 변환되는 핵융합에서는 약 0.7%의 질량감소가 발생하며, 이 질량이 감소된 만큼 열(에너지)가 발생된다. 우주에서 가장 효율이 좋은, 즉 단위 질량당 질량감소가 많은 반응은 핵융합 반응이다. 따라서, 태양도 가장 경제적인 이 핵융합에 의해서 계속 타오르고 있다.

 

핵융합은 원자번호가 작은 원자인 수소(H)가 원자번호가 더 높은 헬륨(He)으로 변환되는 것이고, 핵분열은 우라늄(U)이 원자번호가 더 작은 원자로 변환되는 반응이다.

 

즉, 원자 번호가 작은 수소에서는 핵융합이 일어나고 원자번호가 큰 경우 핵융합이 일어난다. 그렇다면, 어떤 원자를 중심으로 낮은 쪽에서는 핵융합이 일어나고 더 높으면 핵분열이 일어난다고 추측할 수 있다. 이 추측은 정확한 것이며, 철(Fe)을 기준으로 철보다 원자번호가 작으면 핵융합이 일어나고, 철보다 원자번호가 크면 핵분열이 일어난다.

 

따라서, 헬륨(He)부터 철(Fe)까지의 원소들은 별에서 일어나는 핵융합 반응으로 생성될 수 있다. 하지만, 철보다 원자번호가 큰 무거운 원소들은 핵융합이 아닌 별의 폭발과정에서 발생된 높은 온도에 의해서 생성된 물질들이다. 이들 원소들은 초신성폭발 때 생성된다고 한다.

 

즉, 별은 수소를 다 태우고 나면 수축을 하고 이때 압력에 의해 고온이 형성되어 이번에는 헬륨이 융합 반응을 일으킨다. 그런데 태양 질량의 1.4배 이상의 질량을 가진 별들은 계속 핵융합 반응이 진행되어 점점 무거운 물질들이 생겨나고 안쪽으로 점점 무거운 원소가 쌓인다.

 

이렇게해서 철이 되면 더 이상 폭발력이 없어져서 급속한 붕괴를 가져오고, 그 엄청난 붕괴속도 때문에 중심이 10억도 정도 올라가서 다시 한 번 폭발을 일으키는데, 이것이 바로 초신성이다. 즉 초신성은 이미 어느 질량 이상의 별이 수축과 팽창을 거듭하는 동안 생겨난 물질을 우주에 흩뿌리는 과정이다. 이 흩어진 물질들이 다시 새로운 별을 생성시키는 물질로 사용된다. 즉 별의 죽음으로 새로운 별의 탄생을 돕는 것이다.
 

위 사진은 나사가 제공한 게성운의 잔해를 나타낸다.

 
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  • 06-09-15 나나
    아닙니다.
    '따분한 글을 괜히 올리나?'라고 생각했는데 도움이 되었다니 저도 기쁩니다.
  • 06-09-15 민주
    제가 신입사원 교육 받는 기분으로 읽고 갑니다. ^_^ 중요한 관점은 융합반응이든 분열반응이든 원소들이 더 안정된 방향으로 결과를 만들어 갑니다. 생명이 진화하는 것이나 문명이 발전되는 것이나 이것은 다 공통적으로 같은것 같아요, 안정된 원소의 기준은 핵자당 결합에너지 라고 해서, 핵 내부에 중성자와 양성자들간에 결속하고 있는 에너지 강도가 높을 수록 안정된 원소가 되고,,,가장 안정된 원소가 핵자당 결합에너지가 가장 높은 것입니다. 그게 철입니다. 그래서 철로부터 무거운 원소는 분열하며 철의 상태로 진화하고 철보다 가벼운 원소들은 결합하여 철로 진화합니다. 모든 생명의 이치가 이와 같은 것이 아닐까 잠시 생각하고 갑니다. 별이 소멸 할 때 최후에는 어떤 원소가 되는지 살펴보면 알 것 같아요, 하나로님 좋은 공부하고 갑니다. 감사합니다. 혹시 하나로움님은 대덕단지에 근무하시나요?
  • 06-09-14 원정
    모든 생명들이 화학변환 과정에서 발생되는 에너지로 생명활동을 한다니 참으로 재미있군요.
  • 06-09-14 바람
    아멘입니다. 원자가 작아지면 핵융합으로 에너지가 만들어 지고, 원자가 커지면 핵분열로 에너지가 만들어 집니다. 즉 그 모든 질량은 핵융합과 핵분열이라고 하는 과정을 통하여 때로 커지도, 때로 작아지기도 하는 것입니다.

    그런데 이것이 일방적으로 어느 한쪽에 치우지게 될 경우, 본의 아니게 우주(인간)의 질서중 편중된 어느 한쪽에 빠지게 된다. 이렇게 봅니다.
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