우주의 가장 중요한 원소인 수소

우주에는 네 가지의 힘이 존재한다. 그중 만유인력은 우주의 진화와 별의 형성에 중요한 역할을 하며, 강한 핵력은 핵융합 과정에서 별의 자체 중력을 지탱하는데 중요하다. 약한 핵력은 업쿼크와 다운쿼크를 뉴트리노로 분해하여 중성자를 양성자로 바꾸어준다. 별의 내부에 무거운 원소가 만들어지고 초신성 폭발을 일으키게 하는 것도 약력이다. 전자기력은 원자의 내부에서 전자를 원자핵에 구속되도록 한다. 우주의 초기에 우주배경복사가 방출된 것도 전자기력 때문이었다. 전자기력이 우주의 냉각과정을 돕지 않았다면 별과 은하는 아예 만들어지지 못했을 것이다.  

  우주공간에서 거대한 기체 구름과 먼지구름은 차갑고 어두운 성간사이에 방치되어 있다. 이러한 구름이 없는 공간에는 1세제곱센티미터의 부피 안에 입자가 수백 개 정도밖에 존재하지 않는다.

  수소 분자는 기체의 냉각에 중요한 역할을 하면서 최초의 별이 탄생하게 된다. 수소 원자와 전자가 충분히 많이 존재하고 여러 가지 조건이 맞게 되면 수소 분자가 형성된다. 개개의 수소 원자는 양성자 한개가 원자핵을 구성하고, 전자 한개가 그 주위를 돌면서 일종의 정상파를 형성한다. 양성자와 전자사이에는 전자기력이 작용하여 전자의 궤도 이탈을 방지해 준다. 2개의 수소 원자가 가까이 접근할 때 발생하는 일은 전자궤도 사이의 상호작용에 의해 결정된다.

  수소 원자가 가까이 접근하면 2개의 1s 궤도가 결합하여 2개의 새로운 궤도가 형성된다. 그중 한 경우를 ‘보강겹침’이라 하고 다른 한 경우를 ‘상쇄겹침’이라고 한다. 전자궤도에 보강겹침이 일어나면 1s보다 낮은 에너지 궤도가 형성되는데, 이것을 결합성 궤도라고 한다. 각 수소 원자에 1개씩 존재했던 2개의 전자는 수소 분자 전체를 아우르는 기다란 모양의 궤도에 놓이게 된다. 원자가 따로 존재할 때 에너지와 결합 후 에너지 차이를 결합에너지라고 하는데 이것이 화학결합의 강도를 나타낸다.

  파울리의 배타원리에 따르면 2개 이상의 입자는 동일한 양자상태를 점유하지 못한다. 따라서 2개의 전자가 하나의 궤도를 공유하려면 스핀이 서로 반대 방향이어야 한다. 결합성 궤도는 흔히 시그마라고 불리고, 두 궤도가 상쇄 겹침으로 결합하여 원래의 1s보다 에너지준위가 높아진 궤도를 반결합성 궤도라고 한다.

  이렇게 2개의 수소원자로 결합된 수소 분자는 우주에 있어서 가장 중요한 물질의 근원이 된다. 만약에 우주에 수소가 없다면 어떻게 되었을까? 상상하기조차 어려운 일이 일어났을 것이다. 수소는 아무것도 아닌 것 같지만 우주 전체에서 가장 중요하다.