세상에 가장 많은 수소 이야기

1. 수소

수소는 원자핵이 양성자 하나로 이루어져 있다.

지각을 구성하는  원소 중 가장 많이차지하는 비율 순은  산소 46.60%, 실리콘 27.70%, 알루미늄 8.13%철이다. 물론 지구 전체는 철이 가장 많다.

지각 위 공기의 대부분은 질소가 약 78.08%이다. 다음은  산소이다. 이어 아르곤, 이산화탄소, 네온, 헬륨, 메탄, 크립톤, 수소 등이다.

바다는 수소2개와  산소  1개가 결합한 물이 96.5%이고 나머지  염소 0.5% 나트륨 0.4%  마그네슘, 칼슘 등 3.5%이다.

우주는  어떤가? 수소가 은하계에는 74%, 태양계에는 70.6%를 차지한다. 그러나 지구에는 0.0026%, 지각에는 0.14%만 존재한다.

수소가 없으면 우주는 존재하지 않는다. 태양이나 별들은 수소  원자 4개가 원자핵 융합반응을 일으켜 삼중수소 혹은 헬륨-3이 생성되면 막대한 에너지를 방출하고 있다. 1초에 7억톤 수소가 헬륨으로 바뀌고 4조와트의 100조배 에너지를 낸다.

요즈음 수소 에너지에 주목하는 것은 에너지 자립이 어려운 한국에서 석유, 가스, 석탄을 대체하면서 국가 산업을 한단계 더 도약시킬 수 있기 때문이다.

수소는 우주물질로는 풍부한 에너지원이다. 수소에너지는 기술적 난이도는 높지만  장기간·대용량 저장이 가능하고, 온실가스 배출이 적어 환경친화적이라는 장점이 있다. 기존의 탄소경제는 석유·석탄·가스 등 탄소자원을 중심으로 하고 99%를 수입에 의존한 데 반해, 수소는 다양한 방식으로 국내 생산이 가능해 에너지 자립에 기여한다.

수소원자구조

2. 중수소

원자핵에 양성자 하나와 중성자 하나가 있는 것이 중수소다. 중수소는 1931년 미국의 화학자 해럴드 유리(Harold Urey)가 수소의 원자 스펙트럼으로 확인했다. 유리는 1934년에 출판된 논문에서 protium(수소), deuterium(중수소) 및 tritium(삼중수소)이라는 이름을 처음으로 사용하였다.

중수소는 원자로에서 중성자를 감속하는 데 매우 효율적이어서 원자력 발전소에 중요자원이다.  중수소는 방사성 물질은 아니어서 방사능의 문제는 없다. 75 kg인 사람의 몸에는 약 50kg의 물이 있으며 이 물의 약 1/6000인 10g 정도가 중수소이다.

중수소의 비율이 높아지면 임상 시험에서 생쥐나 개는 몸속에 있는 물의 25%가 중수이면 불임이 되고, 50% 정도가 되면 일주일 정도밖에 살지 못한다. 90%의 중수를 포함한 물에서 물고기와 올챙이는 즉시 죽는다.

중수소는 현재 OLED Blue 광원을 제작할 때 사용한다.
또 수소핵자기공명 분광기(NMR)에서 이용한다.

3. 삼중수소

양성자 하나와 중성자 두 개가 있는 수소가 삼중수소(tritium)이다.

두 개의 중성자와 한 개의 양성자인  삼중수소의 핵은 불안정하여 방사성 붕괴과정을 거쳐 안정화 된다. 이 붕괴로 삼중수소 원자는 비 방사성인 헬륨 원자로 바뀌고, 그 과정에서 베타 입자 혹은 베타선으로 알려진 전리방사선을 방출한다. 이를 베타 붕괴라한다. 이는 불안정한 모핵종이 베타선을 방출하며 안정되는 것으로, 원자핵에서 중성자가 양성자로 변환하거나, 그 반대로 양성자가 중성자로 변하면서 불안정한 양전자를 고속으로 방출하며 안정되는 것을 말한다.

따라서 베타선은 양전자이다. 양전자는 입자 가운데에서 가벼워 나무 판자나 얇은 철판 등도 뚫지 못하여 쉽게 차폐 가능하다. 베타선도 일단 피부에 접촉하면 화상을 입는다. 베타선은 급제동하며 에너지를 잃는데, 잃은 에너지는 제동 복사선인 X선으로 방출된다.

러더퍼드는 영국 출신의 과학자는 방사성 원소가 일정한 시간이 흐르면 기하급수로 그 존재량이 줄어듦을 확인했다. 이것을 반감기라고 한다.  삼중수소는 12.3년이다.

삼중수소의 베타선은 인체조직을 투과하지 못하는데, 피부의 표층에서 모든 에너지를 소멸하기 때문이다. 삼중수소가 인체내부로 들어 와 존재할 경우만 방출되는 베타선이 인체 조직에 영향을 줄 수 있다.

삼중수소는 여러 가지 방법으로 생성 될 수 있다. 자연적으로 공기 중의 질소와 우주방사선(우주선)이 핵반응을 하여 대기 중에 생성되며, 인공적으로 원자로, 핵폭발 혹은 고에너지 입자가속기에 의한 핵반응에 의해 생성되기도 한다. 물리적으로 삼중수소가 핵분열, 핵융합 및 방사화 등의 핵반응으로 생성된다고 한다.

삼중수소는 전 지구상에서 발견된다. 환경으로 방출된 삼중수소는 시간이 지나면서 물이 순환하는 것과 함께하여 대기, 지하수, 토양, 강, 호수, 시내, 대양 등에 존재한다. 이러한 수계 순환과정에서 삼중수소가 한 곳에 집중되는 것이 아니라 넓게 분산되어 희석된다. 먹는물 수질기준 및 검사 등에 관한 규모 규칙에 삼중수소는 6.0 Bq/L를 넘지 아니하여야한다.

삼중수소를  이용하는 가장 대표적인 것이 야광도료로 사용된 제품이다. 낚시찌, 총의 가늠자, 시계침 등에 삼중수소를 사용한다. 삼중수소 자체가 빛을 내는 것이 아니라, 인광물질 발광체에 에너지를 전달하여 빛을 내게 하는 활성체 역할을 한다.

5. 방사능이 인체에 나쁜 이유

한마디로 생명현상의 기본 단위인 세포를 죽이기 때문이다. 인체의 세포가 방사선에 의해 에너지를 받는 경우, 세포 DNA구조의 변형이 일난다.

일정 방사선량(500 mSv) 이상이 되면 예외없이  세포의 수가 단기간에 대량으로 사멸하여 세포는 기능을 상실한다.  세포사멸이 일어나 건강이상이 나타나도록 하는 일정 수준 이상의 방사선량을 문턱(임계치)방사선량이라고 한다. 문턱방사선량이상에서는 선량의 크기에 비례해 세포가 사멸한다. 문턱방사선량은 가장 낮은 값이 500 mSv이다.

세포가 사멸하지는 않지만, 돌연변이 형태로 생존해 증식하는 경우 백혈병,  암,  돌연변이 등 유전적 결함이 생긴다.  

4. 자연의 힘

세상에는 4가지 힘이 있다. 이 힘의 완전한 조화로 세상은 유지된다. 원자핵을 구성하는 힘은 두 가지이다. 먼저 핵력이 가장  큰데 강력이라 한다. 강력은 중성자와 양성자를 강하게 묶어 놓는  힘이다. 두번째는 약력이다. 약한 힘은 베타 붕괴(중성자가 양성자와 전자로 나눠지는 붕괴)할 때 전자의 방출 과정에 작용하는 힘이다.

이 강력과 약력이  2%만 커진다면 어떤 일이 일어날까? 중수소와 같이 핵에  양성자와 중성자의 결합이 불가능하다. 그러면 태양도 존재  할 수없다. 약력은 중성자를  빨리 붕괴하도록 해 헬륨 생성이 불가능하다. 약력은 태양에서 수소가 천천히  타도록 조절한다.

강력과 약력 두 힘의 크기의 조화가 무너지면 지구 생명의 유지는 불가능하다.