[통합 과학] 우주의 시작과 우주 초기 원소의 생성

통합 과학의 첫 단원인 '물질과 규칙성' 중 우주 초기의 원소 생성과 우주 배경 복사에 대한 내용을 요약해 놓았으니,

이 부분을 공부하시는 분들께 도움이 되시기를 바랍니다.

 

 

    우주 초기의 원소 생성

 

1. 우주의 시작

1) 빅뱅 (대폭발) 우주론 : 약 138억 년 전 우주 내의 모든 물질이 초고온, 초고밀도의 한 점에서 빅뱅(대폭발)이 일어나 우주가 탄생하였고, 지금까지 계속 팽창하고 있다는 이론입니다. 정상우주론과 대립했지만 빅뱅(대폭발) 우주론의 증거들이 발견되면서 지지받고 있습니다.

 

2) 빅뱅 우주론의 확립 : 정상 우주론과 빅뱅 우주론이 대립하다가 빅뱅 우주론을 지지하는 증거들이 발견되어 빅뱅 우주론이 확립되었습니다.

빅뱅 우주론 확립 과정
아인슈타인 : 우주는 정해져 있다.	르메트르, 프리드만 : 우주는 팽창
허블 외부 은하 관측 : 우주 ㅍ팽창의 증거 관측
가모프 : 빅뱅 우주론	호일 : 정상 우주론
펜지어스와 윌슨의 우주 배경 복사 관측 : 빅뱅 우주론의 증거 관측

 

	빅뱅 우주론	정상 우주론
모형
시작 시점	O	X
팽창 여부	팽창 O	팽창 O
질량	일정하다	증가한다 (빈 공간에 물질 생성)
밀도 및 온도	감소한다	일정하다
타당성	지지받는 이론 - 관측 증거들의 발견	질량 보존 법칙 위배
공통점 : 우주는 팽창한다.

 

 

2. 우주 초기 원소의 생성

빅뱅으로 우주가 탄생한 다음 기봄 입자가 먼저 만들어졌습니다. 

 

1) 물질을 구성하는 입자 : 모든 물질은 원자로 이루어져 있습니다. 원자는 원자핵과 전자로 이루어져 있습니다. 원자핵은 양성자와 중성자로 이루어져 있습니다. 양성자와 중성자는 쿼크로 이루어졌습니다. 

입자의 종류	특징
기본 입자	더 이상 분해할 수 없는 가장 작은 입자로, 물질의 기본 단위입니다. 예) 쿼크(쿼크의 종류- 위, 아래, 맵시, 야릇한, 꼭대기, 바닥), 전자
양성자, 중성자	3개의 쿼크로 이루어진 입자입니다.(같은 종류의 쿼크 2개 + 다른 종류의 쿼크 1개)
	양성자 : 위 쿼크 2개와 아래 쿼크 1개 가 결합하여 생성합니다. ---> 양(+)전하를 띱니다.
	중성자 : 위 쿼크 1개와 아래 쿼크 2개가 결합하여 생성합니다 --> 전기적으로 중성입니다. (중성자의 역할 : 우주의 온도가 낮아지고, 양성자와 중성자간 결합이 시작될 때, 중성자는 같은 전하를 띠는 양성자들이 단단히 뭉칠 수 있도록 도와줍니다.)
원자핵	양성자와 중성자로 이루어진 입자입니다.-->양(+)전하를 띠며, 원자 질량의 대부분을 차지합니다.
원자	원자핵과 전자로 이루어진 입자입니다.-->전기적으로 중성입니다.

 

 

 

2) 원자의 생성 : 빅뱅 우주론에 근거해, 우주가 팽창하여 온도가 낮아지면서 점차 무거운 입자가 생성되었습니다.

입자	시간	과정	온도
기본 입자 생성 (쿼크 전자)	빅뱅 직후	-매우 고온이었습니다. -급격히 팽창하면서 온도가 낮아졌는데 쿼크, 전자와 같은 기본 입자가 만들어졌습니다.
양성자 중성자 생성	초 후	-우주의 온도가 더 낮아졌습니다. -쿼크가 3개 결합하여 양성자와 중성자 생성되었습니다. -양성자와 중성자의 개수 비 1:1 -----> 7:1 (중성자의 일부가 양성자로 변환되었습니다.)
원자핵 생성	약 3분 후	-양성자 : 중성자의 비가 거의 7:1 -헬륨 원자핵 생성 -수소 원자핵 : 헬륨 원자핵의 질량비가 거의 3 : 1 -불투명한 우주 : 원자핵, 전자, 양성자가 공간을 가득 채워 빛이 직진할 수 없기 때문에
원자 생성	약 38만 년 후	-온도가 3000K 정도로 낮아지고, 원자핵과 전자가 결합하여 원자 생성(수소 원자와 헬륨 원자) -우주가 계속 팽창하여 우주 배경 복사 생성되었습니다. (약 3K)  -투명 우주 : 원자가 생성된 후에는 전자가 원자에 붙잡혀 있어서 빛이 직질할 수 있기 때문에

 

중요개념

빅뱅 우주에서 원자의 생성 순서	1) 기본 입자 (쿼크, 전자) 2) 양성자 (수소 원자핵), 중성자 3) 헬륨 원자핵 4) 원자
우주 초기에 생성된 원소는?	수소, 헬륨

 

 

[관련된 문제] 2018년 6월 교육청

(가)	(나)

이에 대한 설명으로 옳은 것만을 (보기)에서 있는 대로 고른 것은?

ㄱ. (가)에서 우주의 온도는 낮아진다. ㄴ. (나)에서 우주의 평균 밀도는 일정하게 유지된다. ㄷ. 우주 배경 복사는 (가)의 증거이다.

 

 

---->정답 : ㄱ, ㄴ, ㄷ

(가)는 빅뱅 우주론의 모형이고, (나)는 정상 우주론의 모형입니다.