철은 어디에서 왔을까?

안녕하세요~

오랜만에 글을 씁니다~ㅎㅎ

 

궁극적인 질문 !   "철은 어디에서 왔을까? - - -"

오랜동안의 생각,

 

최근까지도 철이 산소와 만난 적철광(Fe2O3) 혹은 자철광(Fe3O4)과 같은

철광석이 지구 깊은곳에서 생성되어 지표에서 발견되는 것으로 알고 있었다.

결론적으로 얘기하면. 아니다!

금속을 전공으로 공부했다는 사람으로서 아직도 이렿게 모르고 살아왔다는 것이

창피해서 얼굴을 들을 수 없을 지경이다.ㅜㅡ

 

기작성 한 "철강재료 일반('23 10 23일 작성)" 에서 이야기 하였지만,

철은 인류가 지금부터 약 6,000년전에 처음으로 사용하기 시작하였고,

약 5,000년전에는 철의 정련기술이 메소포타미아, 이집트에 확대되었으며,

약 2500~3000년전부터 본격적인 철기시대의 돌입후 지금까지 이어저 오고

있으며,

지구상에서 금속중에는 알루미늄다음으로 가장 많이 존재(5.6%)하는 철(Fe),

원자번호 : 26, 용융점 : 1538℃, 비중 : 7.87 인 철이 어디서 왔는지 알아봅시다.

 

별(항성=주계열성)의 순환

별은 하늘에 영원히 떠있지 않습니다. 별도 사람처럼 언젠가는 죽고 맙니다.

우리의 낮을 밝히는 태양의 수명은 대략 100억년 정도로 추정되는데,

현재 태양이 약 50억년 정도 되었으니 앞으로 50억년 정도가 지나면 태양은 

이 우주에서 영원히 사라지고 말 것입니다. 

그리고 다른 모든 별도 태양처럼 태어나서 진화하다가 죽어갑니다.

 

별(항성) 탄생의 비밀은 이렇습니다. 

별이 만들어지려면 가장 먼저 수소와 헬륨으로 구성된 큰 기체구름(성운)이

수축해야 합니다.

이 기체가 중심부에 몰려들기 시작하면 중심부에 가까워질수록 속도가 빨라집니다.

그래서 중심부에 핵이 만들어지는 것입니다. 

그런 다음 기체는 핵을 중심으로 점차 자체의 중력에너지를 쏟아내면서

빛을 발하기 시작합니다.

따라서 주위에서 몰려든 기체의 양이 일정 값을 넘으면 중심부 온도는 

대략 1,000만 ℃ 이상이 된다고 합니다.

그러면 원자핵융합 반응에 불이 붙으면서 수소 원자가 헬륨 원자로 변하고, 

이때 폭발적인 에너지가 발산되면서 별이 만들어지는 것입니다.

그 후 안정적이고 효율적인 반응의 진화를 거치면서 별은 장기간 빛을

발할 수 있게 됩니다.

 

특히 별의 탄생과정에서 가장 중요한 요소는 질량입니다.

질량에 의해 별의 크기와 빛의 밝기, 어떤 진화를 거치면서 얼마나 오래 사는지가 

결정되기 때문입니다. 

 

이를 간략하게 정리해보면 별은 기체구름이 모여 탄생되고 진화를 거듭하다가 

대량의 기체와 원자를 우주 공간에 방출하면서 죽어간다고 할 수 있습니다. 

그리고 그렇게 방출된 기체와 원소들은 다시 모여 다음 세대의 별로

새롭게 태어나는 것입니다.

 

그러면 항성이 질량에 따라 어떻게 일생(?)을 살아가는지 봅시다.

 

태양질량의 0.08배 이하의 별은 중심부온도가 핵융합이 시작될 정도로 높아지지

않기 때문에, 주로 중력수축의 에너지만으로 적외선을 발하며,

오랜시간을 거처 냉각되어 가게 되는데,

이를 갈색왜성이라 부릅니다.

 

태양질량의 0.08배~4배의 별(항성)은 중심부가 중력의 수축하는 힘에 의해

중심부 온도가 1000만 ℃ 이상이 되어 수소원자의 핵융합이 시작되어 2개의 수소원자핵이

1개의 헬륨원자핵으로 치환되며 에너지를 방출한다.

중심부에 있는 수소가 모두 헬륨으로 치환되면 중력수축의 힘이 우월하게 되어,

스스로의 중력으로 인해 찌브러지기 시작한다.

중심부의 압력이 다시 강해지고, 1000만℃ 이상이 되기때문에 외측에 있는 수소층이

다시 핵융합을 시작한다. 이 핵융합 에너지에 의해 중심핵 이외의 곳이 팽창을 시작하고,

바깥층은 팽창함으로써 그에 따라 온도가 내려가 붉게보인다

이 상태를 적색거성이라 부른다.

그 이후로도 계속 헬륨의 중심핵은 수축을 계속하여, 작고 무거은 백색왜성이 된다.

이 백색왜성은 새로운 에너지를 생성할 수가 없기 때문에 오랜시간을 거처 에너지를 

잃고, 빛을 잃어 흑색왜성이 되며, 어느틈엔가 암흑천체라고 하는 어둠에 묻힌 천체로

죽어가게 된다

(50억년 후, 우리 태양의 모습이다)

 

태양질량의 4배~8배의 별(항성)은 중력이 힘이 강해 중심부 온도가 3억℃ 이상이 되며,

헬륨도 핵융합을 시작한다.

강한 중력수축에 의해 항성은 팽창하지 못하고 온도가 상승해도 열을 해방 할 수 없다.

헬륨의 핵융합으로 생성된 탄소도 종국에는 높은 열에 의해 핵융합을 시작한다.

그 격렬한 탄소의 핵융합에 항성은 더 이상 견딜 수가 없어 마침내 대폭발을 일으킨다.

이 폭팔을 초신성 폭발이라고 하며,.이를 제 Ⅰ형 초신성 폭발이라 한다.

 

태양질량의 8배~30배의 별(항성)에서도 중력수축에 의해 헬륨의 핵융합이 진행되어

더 무거은 원소인 탄소나 산소의 핵융합도 시작된다.

그러나 탄소의 량이 많기 때문에 발생하는 에너지가 너무 커서, 중력수축에

대항하여 조금 팽창하고 열이 해방된다.

그 때문에 핵융합이 차례차례 진행되어 (우리가 고등학교때 배운 주기율표에 의해) 

탄소 -→  질소 -→ 산소 ----   마그네슘 -→ 규소 -→ 마지막엔 원자번호 26번인

철(Fe)까지 핵융합을 진행하게 된다.

핵융합은 철(Fe)을 끝으로 더이상 핵융합을 일으키지 않기 때문에 중심부는 

냉각되어 버린다.

그러면 중력수축에 대항하는 힘이 사라지고, 그 힘을 견디지 못하고 급속하게 중심부를  

향해 찌부러져 간다.

별이 수축을 견디지 못해 큰 폭발을 한다

이를 제 Ⅱ형 초신성 폭발이라 한다.

이 최후의 폭발을 할때 엄청난 에너지가 발생하여 몇 초만에 핵융합이 반응하여

주기율표 26번 철 이후의 것 (코발트 -→ 니켈 -→ 구리 -→ 아연 ----은.---- 금

 -→우라늄)을 생성하게 된다.

별(항성)의 일생

 

자 이제 결론입니다.

원자번호 1번인 수소부터 26번인 철(Fe),  92번인 우라늄(U)까지 우리 지구에서는 

단 한 원소도 만들어내지 못합니다.

전부 외부 별(항성)애서 온 것입니다.

위에서 이야기 한 것 처럼 

원자번호 26번(Fe)까지는 무거은 별에서 만들어진 핵융합이 더 안정적인 원소이고,

그이후 27번(Co) ~ 92번인 우라늄은 초신성에서 급격히 생성된 원소이므로

핵분열이 더 안정적인 원소이므로 천천히 핵분열을 일으켜 반감기를 갖는다는 것이다.

 

이상으로 

철은 어디에서 왔는지에 대한 긍극적인 질문에 

답이 되었기를 바랍니다.

 

감사합니다~~~