빅뱅과 전자, 쿼크, 양성자, 중성자, 원자핵의 생성 과정.

[공통 과학] 빅뱅과 원소의 생성: 원소는 언제, 어떻게 탄생하였을까?


빅뱅 후 38만년, 원자가 탄생하다.

빅뱅 이론은 우주가 초 고온, 초 고압, 초 고밀도의 상태에서 대폭발을 일으킨 후 팽창하여 현재의 우주가 탄생했다는 이론이다. 빅뱅이 시작한 후 약 3분 내에 기본 입자, 양성자, 중성자, 원자핵 등이 탄생하였고 38만년이 지나서야 온도가 식으면서 중성 원자가 생성되게 되었다. 오늘은 그 과정에 대해 정리해 보려고 한다.

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빅뱅 이후 우주 입자의 생성 과정

입자 생성 과정

1 단계: 기본입자가 생성 되다.

시기: 빅뱅 후 10-35
온도: 1027 K (켈빈)
내용: 더이상 분해할 수 없는 기본 입자인 쿼크와 전자 등의 입자가 초반에 생성되었다. 빅뱅 직후에는 초고온상태였기 때문에 입자가 생성될 수 없었지만 10-35초가 지나 약간 온도가 낮아지면서 기본 입자가 생성될 수 있었다.

2 단계: 양성자 (=수소 원자핵)와 중성자가 생성되다 

시기: 빅뱅 후 10-6
온도: 1015 K (켈빈)
내용: 기본 입자인 쿼크가 3개씩 결합하여 양성자 혹은 중성자가 형성되었다. 양성자는 업 쿼크 2개 + 다운 쿼크 1개, 중성자는 업 쿼크 1개 + 다운 쿼크 2개로 구성된다. 중성자의 질량은 양성자보다 약간 크기 때문에 양성자가 에너지를 흡수하면 중성자가 되고, 중성자가 에너지를 방출하면 양성자가 된다. 초창기에 양성자와 중성자의 비율은 1:1 이었지만 우주의 온도가 낮아지면서 에너지를 방출하는 중성자의 수가 더 많아져 양성자와 중성자의 개수비는 약 7:1이 되었다.

3 단계: 헬륨 원자핵 생성되다.

시기: 빅뱅 후 3분
온도: 약 10억 K (켈빈)
내용: 빅뱅 이후 온도가 10억 K 까지 낮아지면서 양성자 2개, 중성자 2개가 결합해 헬륨의 원자핵이 탄생하였다. 한편, 이시기에 헬륨 원자핵 보다 무거운 원자핵은 거의 생성되지 못했는데, 이는 온도가 계속 낮아져 핵융합이 일어나기 힘들었기 때문이다.

4단계 중성 원자가 형성되다.

시기: 빅뱅 후 약 38만 년 후
온도: 약 3000 K (켈빈)
내용: 중성원자란 원자핵의 양전하와 전자의 음전하가 균형을 이룬 원자이다. 우주의 나이가 38만년이 되어서야 온도가 충분히 낮아져 중성 원자가 형성될 수 있었다. 온도가 높으면 전자의 운동에너지가 높아 원자핵에 구속될 수 없기 때문이다.

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