돌을 아십니까? 지구의 나이부터 콘크리트의 라돈까지

곽재식 교수

발행일 2025.01.22. 13:58

수정일 2025.01.22. 18:10

지구의 나이가 46억 년이라는 사실을 어떻게 알아냈을까?

곽재식교수의 ‘서울 속 숨은 과학 찾기’ (24) 우주의 4가지 힘 중 한국인의 힘은 강력

아마도 한 번쯤은 지구의 나이가 46억 년이라는 이야기를 들어 보았을 것이다. 그런데 도대체 지구의 나이가 46억 년이라는 사실을 어떻게 알아냈을까? 46억 년 전은 사람이 세상에 나타나기도 한참 전인 시대다. 그러니 그때 살던 사람이 지구가 탄생하는 것을 보고 기록으로 남겨 두었을 리는 없다. 그렇다고 지구 그 자체가 어떤 사람 꿈에 나타나서 자기 나이를 말해 주었을 리도 없고, 사람 이전에 지구 근처를 지나간 외계인이 그런 지식을 알려준 것도 아니다.

답은 우라늄의 성질을 이용하는 것이다. 보통 우라늄은 방사능을 띄고 있어서 시간이 지나면 저절로 방사선을 내뿜고 다른 물질로 변질된다. 그리고 그렇게 다른 물질로 변한 뒤에 또 시간이 지나면 한 번 더 방사선을 내뿜고 다시 또 다른 물질로 변질된다. 이런 일을 여러 차례 반복하다가 결국 우라늄은 납이 되는데, 납이 되면 그때는 방사능도 사라지고 변질도 멈춘다. 이렇게 우라늄이 납으로 변하기까지 걸리는 시간은 일정하게 정해져 있다. 대략 2g의 우라늄 중에 1g이 변질되어 납이 되는 데 45억 년이 걸린다. 2g의 우라늄 중에 1.75g이 변질되어 납이 되려면 90억 년 정도가 걸린다.

그래서 과학자들은 현미경으로 돌멩이 속을 관찰하면서 그 속에 우라늄이 변해서 생긴 것으로 보이는 납이 있는지를 찾아본다. 그렇게 해서 원래 우라늄이 얼마나 있었고 그게 지금 얼마나 납으로 많이 변질되었는지를 알아 내면, 많이 변질되었을수록 우라늄이 그 돌 속에 들어간 뒤 많은 시간이 흘렀다는 뜻이다. 만약 돌 속에 갇혀 있는 우라늄이 상당히 납으로 변질되어 46억 년쯤 지난 정도의 모습으로 발견되었다면, 모래 먼지 따위가 녹고 굳어서 돌이 생기고 그 속에 우라늄이 갇힌 시점은 역으로 46억 년 전이라는 뜻이 된다. 이렇게 해서 과학자들은 지구를 이루고 있는 돌이 처음 생겨난 시기를 추정했다.

마그마가 천천히 굳으면서 생긴 돌 속에 우라늄이 들어 있는 사례가 흔히 관찰된다.

돌 속에 들어있는 우라늄, 그리고 돌로 지은 집

그렇다는 말은 지구의 돌 속에 심심찮게 우라늄이 들어 있다는 이야기다. 특히 마그마가 천천히 굳으면서 생긴 돌 속에 우라늄이 녹아 들어 있는 사례가 흔히 관찰된다. 금강산 일만이천봉을 비롯해서 설악산이나 북한산 같은 한반도의 아름다운 산봉우리들 중 상당수는 마침 마그마가 천천히 굳어 생긴 화강암이다. 그렇기에 한반도의 돌, 바위, 땅에도 우라늄은 꽤 있다. 다른 나라에 비해 우라늄이 좀 더 많이 몰려 있는 곳도 있다. 2013년에 호주의 한 회사가 국내 대도시 근처에서 광물 탐사를 진행했던 적이 있었는데, 그때 혹시 우라늄을 캐는 광산을 만들려고 하는 것이 아닌가 하는 이야기가 언론에 보도되어 여론이 술렁인 적이 있었을 정도다.

그렇다고 길을 걸으면서 땅이나 바위에서 방사선이 나와 몸에 해로울 거라는 생각에 너무 걱정할 필요는 없다. 한국 땅에서 우라늄이 조금 더 많다고 하더라도 여전히 그 양은 극히 미미하기 때문이다. 물론 유독 우라늄이 많은 돌만 골라 그런 돌을 항상 끼고 산다면 조금은 문제가 될지 모른다. 그렇게 사는 사람이 아니라면 일상생활에서 우라늄 걱정에 시달릴 이유는 없다.

그런데 가만 보면 의외로 한국인이 돌, 바위와 많이 접촉하면서 지내는 곳이 있다. 다름 아닌 집이다. 현재 한국인들이 사는 건물은 콘크리트로 된 것이 많은데 콘크리트가 바로 돌, 자갈, 모래를 시멘트와 반죽한 재료다. 그러므로 건물 안에서 먹고 자고 생활하는 기간이 길다면, 그것은 한국의 돌과 가까이에서 머무는 행동을 했다고 볼 수 있다.

특히 현대 한국인들은 아파트에서 사는 비중이 매우 높다. 세종이나 광주 같은 도시에서는 87.1%의 주택이 아파트라는 것이 2023년 인구주택총조사의 결과다. 한국 대도시 중에는 그나마 서울의 아파트 비중이 낮은 편인데도 59.8 %에 달해 집 중에서 아파트가 주류라는 점은 마찬가지다. 현대가 아닌 조선 시대 즈음으로 거슬러 올라가더라도 한국인들은 돌로 구들을 만들어 온돌방에서 지내며 항상 돌 가까이에서 살았다.

현대 한국인은 콘크리트로 된 아파트에서 사는 비중이 매우 높다.

무색무취 기체 라돈과 방사능

그러나 이런 경우라도 대개는 우라늄이 큰 문제가 되지 않는다. 돌로 만든 아파트 벽에 약간의 우라늄이 있어서 거기서 방사선이 나온다고 치더라도 우라늄 조각이 벽을 뚫고 줄줄 새어 나올리는 없기 때문이다. 벽 속의 우라늄이 방사선을 뿜고 있을 수는 있겠지만 그 벽에 가로막혀 사람에게 닿기 힘들 때가 많을 것이다.

그래도 과학자들이 신경 쓰는 문제가 있기는 있다. 그 문제가 생긴 이유는 우라늄이 방사선을 뿜다 보면 자꾸 다른 물질로 변질되며 바뀐다는 점 때문이다. 우라늄은 변질되다 보면 라돈이 될 때가 있는데, 라돈은 항상 기체가 되려는 성질이 있다. 그래서 콘크리트 속에 있는 우라늄이 라돈이 되면 그때에는 연기로 변해 벽 사이로 서서히 새어 나올 가능성이 생긴다.

라돈 역시 방사능을 띄고 있는데, 라돈은 기체이기 때문에 이렇게 새어 나와 공기에 섞여 들면 사람이 숨을 쉬다 들이마실 수가 있다. 그러면 라돈이 몸 속으로 들어 가는 일도 생길 것이다. 라돈은 냄새도 나지 않고 색깔도 없기 때문에 그런 일이 일어난다고 해도 알아채기란 어렵다.

좀 더 연구를 해 보면, 라돈 역시 대부분의 장소에서는 별 문제가 될 수준은 아니라는 결과가 나온다. 라돈이 벽 바깥으로 새어 나오고 그것이 사람에게 문제를 일으킬 정도로 많은 양이 모이는 데 시간이 필요하기 때문이다. 그러나 만약 유독 우라늄이 많은 재료로 만든 콘크리트 집에서 특이하게 라돈이 많이 나오고 있고, 그 집에서 오랜 시간 환기를 하지 않고 계속 공기를 가두어 놓는다면 어떨까? 그리고 그 곳에서 몇십 년을 계속 생활 한다면, 그럴 때에도 괜찮다고 할 수 있을까? 또한 라돈은 공기 보다 무거워 바닥으로 자꾸 가라앉는 성질이 있기 때문에 환기가 안 되는 지하실 같은 곳이라면 문제가 생길 확률은 다른 곳보다는 좀 더 높다고 봐야 한다.

그래서 서울을 비롯한 한국 대도시에서는 혹시 그런 장소가 있지는 않을까 조사하는 기술에 투자할 필요가 있다. 이런 문제는 미국이나 캐나다 같은 다른 나라에서는 별로 심각하게 여기지 않는 문제다. 그런 곳 사람들은 나무를 잘라 만든 목조 주택에서 살기 때문에, 돌을 재료로 하는 콘크리트 건물이 주류인 서울과는 사정이 다르다.

그렇기에 라돈 방사능 문제는 세계 어느 유명한 과학자보다도 한국인이 나서서 한국인 스스로 해결해야 하는 문제다. 그렇게 생각하면, 방사능이라든가 원자와 핵의 성질 혹은 원자력 기술에 관련된 과학 연구는 생활의 가까운 문제를 위해서라도 탐구할 가치가 많아 보인다. 그리고 다른 선진국에 비해서 한국이 이런 기초 과학 연구에 투자가 부족하다는 점이 무척 아쉽기도 하다.

다행히 작년에 서울시에서 예산을 투입해 라돈에 대한 조사를 적극적으로 진행한다는 소식이 나왔다. 작년 4월에 나온 보도를 보면, 서울시 당국에서는 시내 지하철역 331곳에서 라돈 농도를 전수 조사한다는 계획을 밝혔다. 동시에 다중 이용 시설 500곳에 대한 실내 공기질 관리 점검도 추진했다고 한다.

이 기회에 우리 도시의 환경을 깨끗하게 유지하고자 하는 현실적인 문제가 원자와 핵의 힘에 관련된 과학의 가장 밑바탕과 연결되어 있다는 사실에도 더 많은 관심이 모이면 좋겠다.

지난해 서울시는 다중 이용 시설과 지하철역 등에 대한 실내 공기질 관리·점검을 추진했다.

방사능을 일으키는 힘 ‘강력’과 서울 출신 과학자 ‘한무영 박사’

과학자들이 대개 과학의 가장 밑바탕으로 꼽는 생각은, 이 우주에는 오직 네 가지 힘이 있어서 그 네 가지 힘에 따라 세상 모든 것이 움직이고 변화하고 있다는 것이다. 그 네 가지 힘은, 첫째, 물체를 높은 데서 낮은 곳으로 떨어지게 하는 중력(gravitational force), 둘째, 전기의 힘인 전자기력(electromagnetic force), 셋째, 물질을 깊은 곳에서부터 변화시키는 힘인 약력(weak force), 그리고 마지막으로 원자력의 근원이자 우라늄이 뿜어내는 것과 같은 종류의 방사능을 일으키는 힘인 강력(strong force)이다. 그래서 누가 서울시민들이 세계 어느 도시 사람들 못지않게 강력의 원리를 파헤치는 연구에 앞장서야 한다라고 한다면, 나는 그게 틀린 말은 아니라고 생각한다.

강력이라는 이름을 처음 들으면 굉장히 낯설 수도 있는데, 사실 서울시민들에게는 다른 인연도 깊다고 할 만한 과학 이론이다. 20세기 중반, 과학자들이 강력을 연구하던 초기에는 강력도 전기와 비슷한 방식으로 연구할 수 있을 거라고 생각했다. 그런데 전기에는 +극과 -극이 있어서 서로 다른 힘이 생긴다. 그래서 강력도 그 비슷할 거라고 생각했는데, 그렇게만 생각해서는 강력이 일으키는 온갖 현상과 다양한 방사능을 설명할 수가 없었다. 이것이 그 시대 과학계에는 굉장히 어려운 문제였다.

그런데 1965년, 서울 출신으로 원래는 전기공학도가 되어 과학을 연구하기 시작했던 31세의 청년 과학자 한무영 박사라는 사람이 있었다. 당시 미국에서 생활하던 그는 강력이라는 힘에는 전기처럼 +, -만 있는 것이 아니라, 대신 무엇인가 세 가지가 있어서 그것이 하나로 합쳐지면 0이 되는 특징이 있다고 보고 그 관점으로 힘의 성질을 따져 보자는 이론을 개발했다.

나중에 이 생각은 과학자들에게 널리 인정되었고, 미국 과학자들이 그 세 가지 성질에 각각 빨강, 초록, 파랑이라는 별명을 붙였다. 그리고 그 후 한무영의 이론이 씨앗이 되어 생긴 이론이 양자색역학(quantum chromodynamics)이라는 거대한 분야로 성장해서 지금은 우주의 원리를 따지는 진리 중에 하나로 굳건히 자리 잡았다.

한무영 박사가 이 정도의 공적을 세웠다는 사실은 이상하게도 한국에서 오히려 너무 안 알려져 있다. 한무영 박사와 함께 이 분야를 연구했던 일본인 과학자 난부 요이치로는 이후 다른 업적을 더 쌓아 노벨상을 수상하기도 했고 일본에서 큰 존경을 받은 유명 인사로 대접받았다. 한무영 박사는 노벨상을 수상하지는 않았지만, 노년에 다시 고향에 들러서 서울대학교와 KAIST를 방문하면서 겸임 교수로 활동하시는 등 활발히 일했다. 그러니 그에 대해서도 좀 더 많은 서울시민들이 알면 좋겠다.

강력은 이름처럼 우주의 네 가지 힘 중에 가장 강한 힘이다. 그 힘이 무엇인지 알아내는데 결정적인 공헌을 한 과학자, 한무영의 고향이 마침 공교롭게도 ‘강력이 일으키는 라돈’ 문제에 특별히 앞장서서 나서는 서울이라는 사실도 신기하지 않은가?

태그