암흑물질과 비활성기체

[러브인]

암흑물질과 비활성기체

과학자들은 우리가 알고 있는 물질이 우주의 전부라고 생각하지 않습니다. 우리는 아직도 모르는 물질이 많이 있고 그것을 암흑물질이라고 부릅니다. 사실 암흑물질로 추정하는 입자들은 많고 특성들도 많습니다. 무겁다, 가볍다, 뜨겁다, 차갑다, 맵시있다, 스핀, 맛깔, 색, 야릇한, 전하, 예쁘다 등 여러가지 주장들이 있습니다. 하지만 대부분 공통적으로 주장하는 특성이 하나 있는데, 바로 입자간의 상호작용이 없다. 즉, 비활성이라는 것입니다. 이렇게 도도한 암흑물질의 비활성적인 특성 때문에 검출하기가 매우 어렵다는 것입니다. ​

​"다수의 학자들은 암흑 물질이 눈에 보이는 입자들과 거의 상호작용하지 않는다는 점에서 비활성 상태로 본다." ​<참고문헌 : 암흑물질 탐사대 - 파퓰러사이언스>​

​사실 비활성 상태라고 한다면 물리학자들보다도 먼저 화학자들은 18족 비활성기체(inert gas, noble gas)를 떠올릴 것입니다. 18족(또는 0족) 비활성기체는 헬륨(He),네온(Ne),아르곤(Ar),크립톤(Kr),크세논(제논,Xe),라돈(Rn) 등이 있는데, 이들은 다른 화학원소들과 다르게 화학적으로 활발하지 못하여 화합물을 잘 만들지 못해서 단원자 상태로 존재하는 기체들입니다.

1890년 윌리엄 램지는 ​대기(공기) 중에 우리가 아직 모르는 미지의 물질(암흑물질)이 존재하고 있음을 예상하였고, 이들의 물질이 대기중에 희박하게 있는 헬륨, 네온, 아르곤, 크립톤, 크세논 등 임을 입증하여 1904년 노벨화학상을 받습니다.

현재 18족 원소의 마지막 원소인 라돈(Rn)은 1910년 라듐(Ra)의 방사능 방출시 생성되는 비활성기체로써 발견되었고, 모든 동위원소들이 방사성을 가지고 있는 유일한 비활성기체원소입니다. 모든 비활성기체들이 비활성이기는 하지만 방사성을 가진 과격한 원소들도 있습니다. 물론 반감기는 매우 짧습니다. 라돈은 밀도가 매우 크지만, 기체의 스펙트럼이 비활성기체의 스펙트럼과 비슷하고 실제로 화학반응도 거의 없습니다.

            <알파붕괴(방사성붕괴의 한 종류)>​

※반감기 : 어미핵종(모핵종)의 절반이 딸핵종으로 바뀌는데 걸리는 시간. 라돈(Rn)의 반감기는 3.8일이며(라듐 1,600년), 이기간이 지나면 라돈의 존재량(혹은 질량) 1/2가 소멸된 것이고 나머지 1/2는 아직 붕괴가 안된 상태로 향후 지속적인 붕괴 과정(2차 반감기)을 계속 거치면서 어미핵종의 존재량이 감소함. 이러한 어미핵종과 딸핵종의 존재량을 비교 분석하여 연대측정에 사용됨.

​비활성 기체들은 공기 중에 존재하지만 양이 아주 적어서 아르곤은 공기 부피의 100분의 1 정도이고, 네온은 10만분의 1이나 2, 헬륨은 100만분의 1이나 2, 크립톤은 100만분의 1, 그리고 크세논은 2000만분의 1 정도입니다.

대기 기준이 아니라 우주 기준이라면 헬륨의 함량은 크게 늘어 우주에서 수소다음으로 많은 양의 차지합니다. 우주의 헬륨함량은 질량기준 약 25%, 갯수기준 약 7%입니다.

<그림출처 : 우주원소존재비 - 위키백과>

※우주존재원소 : 실리콘(규소,Si)은 우주의 질량기준으로 8번째로 많이 존재하는 원소입니다. 위와 아래의 표는 우주보다는 태양계의 원소 추산량인데, 두가지 지배적인 특징이 있습니다. 1) 원자번호가 짝수인 것이 홀수인 것보다 상대적으로 많다. 2) 질량이 무거울수록 존재비는 줄어든다. 다만, 철이 유독 많은데, 아마도 초신성폭발때 헬륨핵융합으로 생성되는 원소중 가장 적은 에너지를 소모하기 때문이다.

이러한 비활성기체들은 전기적으로 극성이 전혀 없어서, 기존의 원소 그룹과는 전혀 속하지 않는 다른 특성을 지녔습니다. 이들의 주기율표상의 그룹배치에 대해 고민을 했었고 마침내 비활성기체들은 가장 음성(-)을 띠는 할로겐족과 가장 양성(+)을 띠는 알칼리금속족 사이에 배치하였습니다. 이들은 마치 양단의 극과 극사이에 차분한 완충제와 같은 위치였습니다.

<참고문헌 : 공기 중 비활성 기체원소의 발견과 주기율표 내 위치 결정 - 바다출판사>

비활성기체들은 이상기체와 유사한데, 이상기체는 분자의 크기를 무시할 수 있습니다(0K에서 부피 0). 상호작용이 없으므로 퍼텐셜에너지는 0입니다. 상태의 변화가 없습니다. 입자들끼리 충돌하여도 탄성충돌하므로 에너지변화가 없습니다.

미시 입자(양자)의 세계는 화학적으로는 분리되지 않으며 또한 전자만으로는 설명할 수 없는 물리적 특성을 가지고 있는 영역입니다. ​하지만 원소 주기율표의 특성과 입자들의 전하(charge)의 특성은 그냥 지나치기 어려울 정도로 유사한 점이 많습니다.

하지만 화학적인 특성을 물리학에 적용하기 어려운 것이 현대 물리학과 화학은 체질(體質)론이라는 것이 없습니다. ​즉, 이것을 설명할 수 있는 마땅한 이론이 없습니다. 하지만 사상의학(四象醫學)이 그러하듯이 체질론은 물리학과 화학 그리고 미시세계와 거시세계를 연결할 수 있는 한국과학철학만의 강점이 될 수 있습니다.​ 음(陰,-)과 양(陽,+)의 체질론은 화학과 물리학 뿐만아니라 미시세계와 거시세계를 가리지 않고 통용될 수 있는 강력한 개념입니다.

             <원소들의 사상과 팔상 체질 - 사상물리학>​

4족인 반도체원소들은 음(陰,-)과 양(陽,+)의 특성을 골고루 가지고 있어 원자가전자수가 ±4인 중성(中性)상태이지만, 18족인 비활성원소들은 음(陰,-)과 양(陽,+)이 0으로 상쇄되어 어느쪽도 아닌 또다른 중성상태인 반중성(反中性)상태입니다. 반중성상태의 입자들은 안정하며 비활성이므로 밀도가 작고 주변조건도 안정한 상태이며 큰 반응성이 나타나지 않는다면 쉽게 검출되지 않습니다.