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역사를 바꾼 원소들

원소와 원소에 얽힌 인류의 역사에 대해 알아봅니다.

공룡과 인공위성 - 이리듐(Ir) -

아이리스
블록버스터 첩보액션 드라마 ‘아이리스’가 수많은 화제를 일으키며 방영된 적이 있다. 이 드라마는 제2차 한국전쟁을 막기 위해 목숨을 걸고 임무를 수행하는 첩보원들의 활약을 다루고 있다.
왜 아이리스일까?
그리스 신화에서 무지개 여신으로 나오는 아이리스는 꽃 색깔이 아름답고 다양한 붓꽃이다. 이탈리아 피렌체 에서 만드는 아이리스 향수는 세계적으로 유명하다. 드라마의 ‘아이리스’는 치명적인 유혹의 향기를 가진 붓꽃처럼, 대한민국의 통일을 방해하려는 가상의 ‘국제적 비밀결사’ 조직이었다.
1804년, 테넌트가 백금의 잔류물에서 발견한 원소를 이리듐이라 명명한 것도 이리듐 화합물의 색깔이 무지개 여신인 아이리스처럼 변화무쌍하기 때문이었다. 

 

나를 따르라
진시황의 대표적인 업적은 중국의 통일과 만리장성이 아니라 도량형(度量衡)을 통일한 것이라 할 수 있다. 왜 그럴까?
길이, 부피, 무게 혹은 이것을 측정하는 기구를 말하는 도량형은 인류의 경제 활동과 함께 생겨났다. 한 뼘, 한 줌 등 신체를 기준으로 길이나 부피를 정했던 도량형은 지역과 나라에 따라 달랐다. 그러나 국가 간 교역이 발달은 통일된 도량형을 필요로 했다.
진시황이 도량형을 통일한 것은 길이, 부피, 무게를 일치시켰다는 의미를 넘어, 경제 활동의 통일된 기준을 정하는 것이었다. 이로서 광대한 중국 대륙을 하나의 통일된 국가로 통치가 가능해진 것이다.

 

 척, 말, 추
길이 측정기구인 척과 부피를 측정하는 말, 그리고 저울과 추

 

그러나 미국과 미얀마, 라이베리아 등 일부 국가는 길이는 야드, 무게는 파운드를 단위로 하는 야드파운드법을 사용한다.  
1999년, 미국의 화성 기후 탐사선이 화성 궤도에 진입하면서 불타버렸다. 원인은 단위였다. 탐사선을 만든 록히드마틴사는 야드파운드법을 사용했으나 나사는 미터법을 적용한 것이다. 탐사선의 데이터는 야드파운드법으로 작성되었으나 나사는 미터법으로 계산했다. 결국 탐사선은 예정 궤도보다 훨씬 안쪽으로 진입하면서 대기와의 마찰로 타버린 것이다.

 

마패보다 유척
암행어사는 임금으로부터 네 가지를 하사받았다. 어사 발령장인 봉서와 직무 규정집인 사목, 역졸과 역마를 사용할 수 있는 마패, 그리고 20 cm 정도의 사각 놋쇠 막대에 눈금을 새긴 유척이다.
유척은 지방 수령이 저지른 부정과 부패를 알아내는 중요한 도구였다. 지방 수령들은 세금을 거둘 때 자나 되를 속이는 경우가 많았기 때문이었다. 암행어사는 유척으로 자나 되를 측정해서 세금을 공정하게 거두고 있는 지를 확인했던 것이다. 

 

 암행어사

암행어사 출두요

 

형벌 도구의 두께나 넓이 등도 유척으로 확인했다. 또한 유척에는 악기 음의 기준이 되는 눈금, 예식 용 집기들의 규격을 정하는 눈금도 있었다. 이렇듯 암행어사는 유척으로 도량형을 점검하고 전파했던 것이다. 혹시 마패 대신에 유척을 높이 들고 “암행어사 출두요!”를 외치지는 않았을까?

 

길이 표준, 미터
현재는 미터(m), 리터(ℓ), 킬로그램(kg)을 기본 단위로 정한 미터법을 사용한다. 이러한 표준은 어떻게 정했을까?
1792년, 프랑스는 북극점에서 적도까지 거리의 1,000 만분의 1에 해당하는 백금-이리듐 합금 막대의 길이를 1 m로 정하였다. 이 합금은 가공이 쉽고 단단하면서도 녹슬지 않기 때문에 연한 백금 대신에 사용되었다.
맥스웰(1831~1879)은 지구의 길이 대신에 분자를 기준으로 할 것을 주장했다. 지구의 길이는 냉각에 의해 수축되거나 운석 혹은 공전 속도에 의해 달라지며, 합금 막대의 길이도 온도에 따라 다르기기 때문이었다. 1960년, 그의 주장에 따라 크립톤에서 방출되는 빛의 파장을 표준으로 정했다. 1983년에는 빛의 속도가 일정한 것을 이용하여 1 m는 진공에서 빛이 299,792,485 분의 1 초 동안 가는 거리로 수정되었다.

 

질량 표준, 킬로그램
질량은 가로, 세로, 높이 각 10 cm, 즉 1 L의 용기에 채운 물을 1 kg으로 정하였으며 오랫동안 사용되었다. 이것을 기준으로 90% 백금과 10% 이리듐 합금으로 만든 ‘국제 킬로그램 원기’를 질량 표준으로 사용한다.
이 경우 원기 자체의 질량이 달라져도 변화를 알 수 없다. 따라서 아보가드로 수를 질량의 표준으로 정하려는 아보가드로 프로젝트가 진행되고 있다. 즉, 특정 원자의 개수로 1 g으로 정의하는 것이다. 예를 들어 탄소 원자가 1몰(6.022×1023)개이면 12 g이므로 여기에 1000/12를 곱하면 1 g인 것이다. 

 

 1킬로그램

1㎏ 국제 킬로그램 원기 / 위키백과(www.wikipedia.org) (CC) Mr. Bo Bengtsen

 

 실리콘

아보가드로 프로젝트의 실리콘 / 위키백과(www.wikipedia.org) (CC) CSIRO

 

그렇다면 1몰에 해당하는 수를 어떻게 세고 측정할 수 있을까?
아보가드로 프로젝트는 최첨단 기술로 규소를 가공해서 완벽한 구를 만든다. 그리고 구의 부피와 규소 원자 사이의 거리를 X-선으로 측정하면 규소 원자 수를 알 수 있는 것이다. 그러나 아직 규소가 산소와 반응하는 것과 규소의 동위원소를 분리하는 문제 등이 남아있다.

 

이리듐 위성
사하라 사막에서 태평양 위의 여객선 승객과 통화할 수 있을까?
이를 위해 66개의 인공위성으로 우주 공간에 위성전화망을 구축하는 이리듐 위성전화 계획이 실시되었다. 즉, 기지국과 관계없이 직접 이리듐 위성과 사막, 정글, 해상, 어느 곳과도 통화할 수 있는 것이다.
1997년, 첫 번째 위성이 발사된 후 1년 동안 15회에 걸쳐 72개의 위성이 발사되어 이리듐 인공위성망이 완성되었다. 이렇게 구축된 이리듐 인공위성망은 지금은 어떻게 됐을까?
이 사업을 유지하려면 가입자는 최소한 40만 명이 필요했지만, 실제로는 5만 명만이 가입했다. 그 이유는 휴대폰 기술의 발달하면서 지상의 기지국을 이용한 무선 통신이 급속도로 보급되었기 때문이다. 또한 전 세계에 퍼져있는 가입자들을 위한 서비스가 쉽지 않았으며, 결정적으로 이리듐 전화는 실내 통화가 되지 않는 치명적인 약점이 있었다.
이리듐 인공위성망이라 부른 이유는 무엇일까?
그것은 이리듐의 원자번호가 77번이었기 때문이다. 초기 발사계획에는 77개의 인공위성을 발사하는 것이었다. 그리고 77개의 인공위성이 지구 상공에 떠있는 모습이 77개의 전자가 원자핵 주위를 도는 것과 비슷했기 때문에 이리듐 인공위성망이라 불렸던 것이다.

 

이리듐인공위성
 이리듐 인공위성망 / 위키백과(www.wikipedia.org) (CC) Cliff

 

그러나 실제 위성은 66개였다. 따라서 인공위성망의 이름을 원자번호가 66번인 디스프로슘 인공위성망으로 바꾸려 했지만 디스프로슘은 접근하기 어렵다는 부정적인 의미가 있었기 때문에 그대로 사용하게 되었다. 그럼에도 불구하고 이리듐 사는 2년여 만에 파산하고 말았던 것이다.

 

사라진 공룡
중생대 지구의 지배자 공룡은 왜 멸종했을까?
1977년, 대륙 이동을 연구하던 월터 알바레즈(1940~)는 이탈리아의 중생대와 신생대의 경계 지층에서 얇은 퇴적층을 발견하였다. 이 퇴적층의 비밀은 무엇일까? 그는 아버지 루이스 알바레즈(1911~1988)와 함께 퇴적층을 분석한 결과 이리듐 금속이 많다는 것을 발견하였다. 다른 지역의 중생대와 신생대 경계층도 마찬가지였다.
무거운 이리듐은 주로 지구 내부에서 발견되는 원소였다. 따라서 얇은 퇴적층의 이리듐은 지구 바깥, 즉 운석에서 온 것이었다. 운석에 포함된 이리듐의 양에서 추정된 운석은 무려 직경 10 km의 거대한 운석이었다.
운석이 초속 20 ㎞로 지구와 충돌하면 수 십 만개의 핵폭탄이 투하된 것과 같은 엄청난 파괴력을 갖는다. 게다가 운석 충돌로 인한 엄청난 양의 먼지로 햇빛이 차단되어 추위와 함께 식물들이 광합성을 할 수 없었다. 즉 공룡은 운석으로 인해 멸종했다는 것이다.

 

운석
멕시코 유카탄 반도의 끝부분에 형성된 운석 충돌의 증거 / NASA 퍼블릭 도메인

 

운석은 어디에 떨어졌을까?
많은 사람들이 크레이터를 찾아 나섰다. 그러던 중 한 지질학자가 유카탄 반도 부근의 중력 가속도를 나타내는 지도에서 직경이 약 180 km 인 원과 그 안에 작은 원이 있는 크레이터를 발견했던 것이다. 즉, 지층의 밀도 차이에 의한 중력가속도의 차이로부터 지구 내부 구조를 알아낸 것이다. 바다로 둘러싸인 유카탄 반도는 퇴적물이 많고, 지각변동으로 인해 크레이터가 발견되지 않았던 것이다. 또한 석회암 천연 우물들도 운석 충돌이 일어난 반경 바깥에만 형성되어 있었다. 내부는 충돌에 의해 매몰되었던 것이다.

 

한반도 공룡
우리나라는 공룡발자국의 세계 3대 유적지 중 하나이다. 1972년, 경남 하동에서 공룡알 화석이 발견되었으며, 1982년, 경남 고성에서는 수 천 개의 공룡 발자국이 발견되면서 우리나라는 백악기 공룡들의 천국이었음이 확인되었다. 특히 해남 우항리에서는 긴 목과 긴 꼬리에 거대한 몸통을 가진 초식 공룡이 남긴 115 cm 대형 발자국이 발견되었다.

 

공룡발자국
 우항리 공룡박물관의 공룡발자국


우리나라에서는 왜 공룡 뼈가 거의 발굴되지 않을까?
그 이유는 지리적 특성에 기인한다. 공룡 뼈가 많이 발견되는 몽고나 중국, 북아메리카는 사막이나 노출된 지역이 많지만 우리나라는 산이나 수풀이 많아 발굴이 어렵다. 게다가 주요 평야지대는 이미 도시들이 형성되어 있다. 또한 우리나라 중생대 지층의 암석은 매우 단단하기 때문에 공룡 뼈의 발굴이 더욱 어려운 것이다. 

 

 한반도의공룡
한반도 공룡

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