#9 원자핵의 생성

문제 1 · OX 문제

빅뱅 후 약 3분이 지났을 때 우주의 온도는 약 10억 K 이하로 낮아졌다. ( )

정답: O

우주라는 거대한 냄비가 탄생 직후의 엄청난 열기를 뿜어내다가 드디어 '요리하기 딱 좋은 온도'인 10억 도까지 식은 시점이에요! 이전에는 너무 뜨거워 알갱이들이 서로 잡으려 해도 튕겨 나갔지만, 이때부터는 양성자와 중성자가 서로 '우리 이제 손 잡아도 되겠다!'라고 느끼며 찰떡같이 달라붙어 헬륨이라는 묵직한 건더기를 만들어낼 수 있었답니다.

문제 2 · OX 문제

헬륨 원자핵은 양성자 2개와 중성자 2개가 강력하게 결합하여 만들어진다. ( )

정답: O

헬륨 원자핵은 아주 화목한 '4인 가족'이라고 생각하면 쉬워요! 에너지가 넘치는 양성자 아빠 2명과, 이를 묵직하게 잡아주는 점잖은 중성자 엄마 2명이 손을 꼭 잡고 하나의 튼튼한 집을 이룬 형태랍니다. 이 2+2 조합은 우주에서 가장 안정적인 팀워크를 자랑하기 때문에 초기 우주에서 아주 튼튼하게 자리를 잡았죠.

문제 3 · OX 문제

빅뱅 후 3분에서 38만 년 사이의 우주는 빛이 방해받지 않고 멀리 뻗어 나가는 투명한 상태였다. ( )

정답: X

아니에요! 이때 우주는 안개가 아주 자욱하게 낀 이른 아침 도로와 같았답니다. 원자핵과 결합하지 못한 채 이리저리 뛰어다니던 자유로운 입자들이 '안개 입자' 역할을 하며 빛의 앞길을 사방팔방으로 막고 튕겨냈거든요. 빛이 한 발짝도 직진하지 못하고 갇혀 있었기 때문에, 우리는 이 시기를 앞이 보이지 않는 '불투명한 우주'라고 부른답니다.

문제 4 · OX 문제

양성자는 다른 입자와 결합하지 않아도 그 자체로 이미 하나의 수소 원자핵이 된다. ( )

정답: O

수소는 우주에서 가장 쿨하고 단순한 친구예요! 헬륨처럼 복잡하게 가족을 꾸릴 필요도 없이, 양성자 혼자서만 덜렁 있어도 '나 오늘부터 수소 원자핵 할래!'라고 명함을 내밀 수 있거든요. 우주 요리의 가장 기초가 되는 기본 재료라서 별다른 가공 없이도 원자핵 대접을 받는 아주 흔하고 소중한 주인공이랍니다.

문제 5 · OX 문제

헬륨 원자핵 1개의 질량은 양성자(수소 원자핵) 1개의 질량보다 약 12배 더 무겁다. ( )

정답: X

우리 친구, 숫자 함정에 빠졌네요! 수소 핵은 사과 1개 무게인데, 헬륨 핵은 사과 4개가 뭉친 무게예요! 그래서 헬륨 하나는 수소 하나보다 약 '4배' 더 무거운 덩치랍니다. '12배'는 수소 핵들이 전체적으로 모였을 때 헬륨보다 많다는 개수비에서 나온 숫자니 헷갈리면 안 돼요!

문제 6 · OX 문제

헬륨보다 무거운 원소의 원자핵이 초기 우주에서 생성되지 못한 이유는 우주의 온도가 계속 낮아졌기 때문이다. ( )

정답: O

우주 가스레인지의 불씨가 너무 빨리 약해져 버렸어요! 헬륨보다 더 무겁고 복잡한 원소를 요리하려면 엄청나게 강력한 열기가 계속 유지되어야 하는데, 우주가 확 넓어지면서 순식간에 차갑게 식어버렸거든요. 그래서 우주 요리사는 아쉽게도 헬륨까지만 완성하고 핵공장 문을 닫아야 했답니다.

문제 7 · 빈칸 채우기

양성자와 중성자가 결합하여 만들어진 입자로, 원자의 중심에 위치하며 질량의 대부분을 차지하는 부분을 ( )이라 한다. (3글자)

정답: 원자핵

집을 지을 때 가장 튼튼해야 하는 '기둥'이나 '주춧돌'과 같은 부분이에요! 낱개로 돌아다니던 양성자와 중성자가 찰떡궁합으로 뭉쳐서 만든 이 단단한 덩어리가 중심을 딱 잡아줘야, 나중에 전자들을 끌어모아 원자라는 행복한 가정을 꾸릴 수 있답니다.

문제 8 · 빈칸 채우기

헬륨 원자핵이 생성된 후, 수소 원자핵과 헬륨 원자핵의 마릿수 비중을 나타내는 ( )는 약 12:1이다. (3글자)

정답: 개수비

이번에는 무게는 전혀 신경 쓰지 말고, 순수하게 '머릿수'만 세어보는 시간이에요! 양성자 14개 중 2개가 헬륨 팀으로 가고 나니 솔로 수소가 12명 남았죠. 그래서 '개수'로만 줄을 세워보면 12 대 1이라는 아주 웅장한 비율이 나타나게 된답니다.

문제 9 · 빈칸 채우기

수소 원자핵 12개와 헬륨 원자핵 1개의 무게 비중을 비교한 우주의 ( )는 약 3:1이다. (3글자)

정답: 질량비

이번에는 저울 위에 올려놓고 제대로 무게를 재볼까요? 수소 12명의 총 몸무게(12)와 헬륨 1명의 몸무게(수소 4명분인 4)를 비교해보는 거예요! 12 대 4니까 약분하면 3 대 1이라는 비율이 나오죠. 이 '무게의 비율'이 바로 우주 탄생의 비밀번호랍니다.

문제 10 · 빈칸 채우기

원자핵 합성이 일어나기 위해 도달해야 했던 우주의 임계 온도는 약 ( ) K 이하이다. (2글자)

정답: 10억

우주 요리사가 헬륨 요리를 시작하기 위해 기다렸던 '딱 적당한 온도'예요! 이전의 수백억 도 환경에서는 입자들이 너무 날뛰어서 서로 잡을 수 없었지만, 이 수치 밑으로 떨어지자 드디어 입자들이 차분해지며 서로 껴안고 뭉칠 수 있게 되었답니다.

문제 11 · 단답형

양성자 2개와 중성자 2개가 결합하여 만들어진 우주의 두 번째 원소 명칭은? (2글자)

정답: 헬륨

이번 단원의 주인공이자, 풍선에 넣으면 하늘로 둥둥 뜨는 바로 그 기체예요! 4개의 알갱이가 찰떡처럼 붙어서 만들어진 우주의 아주 안정적인 결과물이죠. 수소 형님과 함께 우주를 98% 이상 꽉 채우고 있는 든든한 조력자랍니다.

문제 12 · 단답형

수소 원자핵을 구성하는 단 하나의 입자 명칭을 쓰시오. (3글자)

정답: 양성자

수소는 정말 심플해요! 빨간 공 하나만 있으면 그게 바로 수소 원자핵이죠. 복잡하게 누구랑 뭉칠 필요 없이 자기 존재 자체가 핵이 되는 가장 가볍고 흔한 주인공이랍니다. 이 친구가 몇 명 모이느냐가 그 원소의 자부심이 되죠.

문제 13 · 단답형

헬륨 원자핵 생성 전, 양성자와 중성자의 개수 사이의 비율은 몇 대 몇이었는가? (3글자)

정답: 7:1

헬륨 요리를 만들기 위해 재료를 준비해둔 시장 장바구니 속 비율이에요! 사과(양성자) 7개당 배(중성자) 1개꼴로 준비되어 있었던 이 황금 비율이 나중에 복잡한 계산을 거쳐 3:1 질량비라는 기막힌 결과를 만들어낸답니다.

문제 14 · 단답형

헬륨 원자핵을 구성하는 입자 중 전하를 띠지 않으며 양성자와 질량이 비슷한 입자는? (3글자)

정답: 중성자

헬륨 가족의 든든한 조력자예요! 양성자 아빠들이 서로 플러스 전하 때문에 밀어내려고 할 때, 사이사이에서 전기를 띠지 않는 이 점잖은 친구들이 묵직하게 자리를 지키며 핵이라는 집을 단단하게 묶어준답니다. 무게만큼은 아주 존재감이 큰 친구죠.

문제 15 · 단답형

원자핵 주변을 떠돌며 빛의 앞길을 가로막아 초기 우주를 불투명하게 만든 마이너스 입자는? (2글자)

정답: 전자

우주 초기 도로 위를 바쁘게 뛰어다니는 '말괄량이' 같은 친구들이에요! 빛이 시원하게 고속도로를 달려야 하는데, 이 친구들이 도로 한복판에서 빛을 자꾸 엉뚱한 곳으로 밀어낸 상황이죠. 그래서 빛이 우주 안에 갇혀 버린 거랍니다.

문제 16 · 단답형

약 138억 년 전 모든 물질과 에너지가 한 점에 모여 있다가 대폭발하며 시작되었다는 이론은? (2글자)

정답: 빅뱅

우주라는 거대한 드라마의 화려한 개막 선언과 같은 단어예요! 아무것도 없던 찰나에 모든 것이 '빵!' 하고 터져 나오며 시간과 공간이 태어난 역사적인 사건이죠. 오늘날 우리가 배우는 이 모든 원소들도 결국 이 축제에서 시작되었답니다.

문제 17 · 보기 선택

헬륨 원자핵의 생성(빅뱅 후 3분)에 대한 설명으로 옳은 것만을 보기에서 모두 고르시오．

• ㄱ. 우주의 온도가 약 10억 K일 때 본격적으로 시작되었다.
• ㄴ. 우주의 온도가 계속 높아지면서 핵합성이 가능해졌다.
• ㄷ. 양성자 2개와 중성자 2개가 결합하여 생성된다.

정답: ㄱ, ㄷ

ㄱ. 3분 시점의 10억 도는 입자들이 손을 잡기에 딱 좋은 우주의 적정 온도였어요. ㄷ. 양성자 둘, 중성자 둘이라는 2+2 공식은 헬륨 핵을 만드는 변하지 않는 우주의 황금 레시피랍니다.

문제 18 · 보기 선택

수소와 헬륨의 질량비(3:1)가 갖는 과학적 의미로 옳은 것의 기호를 모두 쓰시오.

• ㄱ. 빅뱅 우주론의 예측값과 실제 관측값이 일치함을 보여준다.
• ㄴ. 초기 우주에서 철(Fe)이 헬륨보다 먼저 생성되었음을 의미한다.
• ㄷ. 우주가 한 점에서 폭발적으로 시작되었다는 강력한 증거이다.

정답: ㄱ, ㄷ

ㄱ. '3:1이어야 해!'라고 예언한 이론이 실제 관측과 딱 맞아떨어진 놀라운 순간이에요. ㄷ. 이 완벽한 일치는 빅뱅 이론이 단순한 상상이 아니라 진짜 역사라는 것을 증명해 주는 강력한 증거가 된답니다.

문제 19 · 보기 선택

헬륨 원자핵 생성 과정의 입자 수 변화에 대해 옳은 것만을 모두 고르시오．

• ㄱ. 헬륨 원자핵 생성 전 양성자와 중성자의 개수비는 7:1이었다.
• ㄴ. 중성자 2개가 소모될 때 양성자는 2개만 헬륨 핵으로 들어간다.
• ㄷ. 결합 후 남은 나머지 양성자들은 모두 소멸되어 사라졌다.

정답: ㄱ, ㄴ

ㄱ. 우주 초기에 준비된 재료 비율인 7:1은 아주 유명한 우주의 데이터죠. ㄴ. 헬륨 한 팀을 꾸리기 위해 양성자와 중성자를 각각 2개씩 짝지어 쓰는 모습이 그림을 그리듯 선명하게 이해되시죠?

문제 20 · 보기 선택

수소 원자핵과 헬륨 원자핵의 질량 분석으로 옳은 설명만을 보기에서 모두 고르시오．

• ㄱ. 수소 원자핵 12개의 질량 합은 12이다.
• ㄴ. 헬륨 원자핵 1개의 질량 합은 4이다.
• ㄷ. 수소와 헬륨의 최종 개수비는 3:1이다.

정답: ㄱ, ㄴ

ㄱ. 양성자 하나 무게를 1로 치면 12개니까 12가 맞죠! ㄴ. 헬륨은 알갱이 4개가 뭉쳤으니 무게가 4가 되는 것도 산술적으로 정확해요. 이 둘을 비교하면 12:4, 즉 3:1 질량비가 완성되죠.

문제 21 · 보기 선택

초기 우주에서 헬륨보다 무거운 원소가 생성되지 못한 이유로 옳은 것을 모두 고르시오．

• ㄱ. 우주가 급격히 팽창하여 온도가 빠르게 낮아졌기 때문이다.
• ㄴ. 무거운 원소 합성에 필요한 충분한 에너지가 부족해졌기 때문이다.
• ㄷ. 양성자의 수가 중성자의 수보다 훨씬 적었기 때문이다.

정답: ㄱ, ㄴ

ㄱ. 우주가 확 넓어지니 열이 분산되어 시원해진 게 결정적인 이유예요. ㄴ. 무거운 요리를 할 불씨(온도)가 금방 약해져서 요리 시간이 부족했던 거죠. 자연스럽게 헬륨에서 요리가 마감되었답니다.

문제 22 · 보기 선택

수소 원자핵과 헬륨 원자핵의 비교 설명 중 옳은 것만을 모두 고르면?

• ㄱ. 수소 원자핵은 양성자 1개 그 자체이다.
• ㄴ. 헬륨 원자핵 1개는 수소 원자핵 4개의 질량과 같다.
• ㄷ. 우주 초기 생성된 총 마릿수는 헬륨이 수소보다 훨씬 많다.

정답: ㄱ, ㄴ

ㄱ. 수소는 가장 단순해서 혼자서도 핵의 역할을 톡톡히 해내요. ㄴ. 4명이 뭉친 헬륨 덩어리는 수소 4명이 모인 무게와 맞먹는 듬직한 체구를 가졌답니다.

문제 23 · 객관식

헬륨 원자핵이 생성되기 시작한 시점의 우주 환경에 대한 설명으로 가장 적절한 것은?

• ① ① 우주의 온도가 절대 0도에 도달하여 모든 입자가 멈추었다.
• ② ② 빅뱅 후 38만 년이 지나 원자가 형성되기 시작했다.
• ③ ③ 빅뱅 후 약 3분, 우주의 온도가 약 10억 K 이하로 낮아졌다.
• ④ ④ 모든 원자가 중성 원자가 되어 빛이 직진하기 시작했다.
• ⑤ ⑤ 철(Fe)과 같은 무거운 원소들이 우주 전역에서 대량 생성되었다.

정답: ③

우주가 '빵!' 하고 터진 지 딱 3분, 온도가 10억 도 근처로 내려온 그 찰나의 순간이 정답이에요! 입자들이 너무 날뛰지 않고 서로 손을 잡을 수 있는 '결합의 골든타임'이 드디어 찾아온 거죠.

문제 24 · 객관식

수소와 헬륨의 질량비가 3:1이 되는 계산 과정으로 가장 옳은 것은?

• ① ① 수소 핵 12개(질량 12)와 헬륨 핵 1개(질량 4)의 질량을 비교한다.
• ② ② 수소 핵과 헬륨 핵의 개수비가 3:1임을 이용하여 계산한다.
• ③ ③ 양성자와 중성자의 질량 차이가 매우 크다는 점을 이용한다.
• ④ ④ 우주의 팽창 속도가 빛의 속도보다 빠르다는 점을 적용한다.
• ⑤ ⑤ 양성자의 질량을 0에 가깝다고 가정하여 질량 분포를 구한다.

정답: ①

수소 12명(총 무게 12)과 헬륨 1명(수소 4인분 무게인 4)을 저울 시소에 올린다고 상상해 보세요! 12 대 4니까 약분하면 3:1이라는 아주 깔끔한 비율이 나오죠. 이 계산법이 우주 원소 분포의 핵심이랍니다.

문제 25 · 객관식

초기 우주에서 헬륨보다 무거운 원소의 핵합성이 중단된 근본적인 이유는?

• ① ① 우주의 밀도가 너무 높아져 입자들이 결합할 수 없었기 때문이다.
• ② ② 중성자가 모두 소멸되어 더 이상 핵합성을 할 재료가 없었기 때문이다.
• ③ ③ 우주가 급격히 팽창하면서 온도가 핵합성 임계점 이하로 낮아졌기 때문이다.
• ④ ④ 빛의 에너지가 모두 고갈되어 핵융합에 필요한 동력을 잃었기 때문이다.
• ⑤ ⑤ 입자 사이의 전기적인 밀어내는 힘이 갑자기 강해졌기 때문이다.

정답: ③

가스레인지 불이 너무 빨리 꺼진 상황이에요! 우주가 확 넓어지면서 온도가 훅 떨어졌고, 무거운 핵을 요리할 '열기'가 부족해해지자 헬륨까지만 만들고 핵공장이 문을 닫은 거랍니다.

문제 26 · 객관식

헬륨 원자핵 생성 후, 수소 원자핵(양성자)과 헬륨 원자핵의 '개수비'는?

• ① ① 1 : 1
• ② ② 3 : 1
• ③ ③ 7 : 1
• ④ ④ 12 : 1
• ⑤ ⑤ 24 : 1

정답: ④

헬륨 핵 1개를 만들려고 양성자 2개와 중성자 2개를 썼죠? 원래 14개였던 양성자 중 남은 솔로 양성자가 12개나 되니까, 개수로만 따지면 수소가 12개 있을 때 헬륨은 딱 1개뿐인 이 비율이 정답이 된답니다.

문제 27 · 객관식

다음 중 원자핵의 생성 시기(빅뱅 후 3분~38만 년 전)에 대한 설명으로 가장 옳은 것은?

• ① ① 탄소, 질소, 산소와 같은 무거운 원소가 우주의 대부분을 차지했다.
• ② ② 양성자와 중성자가 결합하여 헬륨 원자핵이 본격적으로 만들어졌다.
• ③ ③ 전자와 원자핵이 결합하여 빛이 직진하는 투명한 우주가 되었다.
• ④ ④ 우주가 수축하면서 온도가 수십억 도 이상으로 계속 상승했다.
• ⑤ ⑤ 태양계와 지구가 탄생하여 생명체가 살 수 있는 환경이 조성되었다.

정답: ②

이번 단원의 주인공 사건이죠! 낱개로 돌아다니던 알갱이들이 드디어 '핵'이라는 덩어리로 업그레이드되어 물질의 중심을 잡기 시작한 역사적인 건축의 시기라는 점을 고르면 됩니다.

문제 28 · 객관식

우주 구성 원소의 질량비(3:1)가 빅뱅 우주론의 결정적 증거가 되는 이유는?

• ① ① 지구가 우주의 중심이라는 사실을 명확히 증명해 주기 때문이다.
• ② ② 이론적인 예측값과 실제 우주의 관측값이 소름 끼치게 일치하기 때문이다.
• ③ ③ 수소 원자가 헬륨보다 훨씬 나중에 생성되었음을 보여주기 때문이다.
• ④ ④ 우주가 팽창하지 않고 정지해 있다는 정적 우주론의 근거가 되기 때문이다.
• ⑤ ⑤ 모든 원소가 빅뱅 순간에 동시에 만들어졌음을 의미하기 때문이다.

정답: ②

과학적 예측값이 실제 조사 결과와 소름 끼치게 딱 맞았기 때문이에요. 정답지를 미리 보고 푼 것처럼 정확했기 때문에 빅뱅 이론이 다른 이론들을 제치고 왕좌에 오르게 된 거랍니다.