우리는 얼마나 많은 원소를 만들 수 있는가

인류는 오랫동안 원소의 경계를 탐구해왔다. 멘델레예프가 주기율표를 제시했을 때만 해도, 알려진 원소는 60여 개에 불과했다. 그러나 20세기 들어 과학자들은 가속기와 핵반응을 활용해 자연에 존재하지 않는 인공 원소들을 합성해내기 시작했다. 그 결과, 주기율표는 우라늄(92번 원소)을 넘어 네프튠륨, 플루토늄 같은 초우라늄 원소들로 확장되었고, 118번 원소 오가네손까지 추가되면서 현재의 형태를 갖추게 되었다.

하지만 여기서 중요한 질문이 남는다. 우리는 과연 얼마나 많은 원소를 더 만들어낼 수 있을까? 주기율표는 끝이 없는 것일까, 아니면 물리학적·화학적 한계가 존재할까? 이 질문은 단순히 학문적 호기심을 넘어, 우주와 물질의 본질에 대한 근본적인 탐구와도 연결된다. 지금까지의 발견은 주기율표가 확장 가능하다는 사실을 입증했지만, 동시에 그 확장에는 분명한 장벽이 존재한다는 것도 보여주었다.

우리는 얼마나 많은 원소를 만들 수 있는가

원소의 수에 대한 이론적 한계

주기율표가 무한히 확장될 수 없다는 사실은 물리학적으로 명확하다. 원자의 구조는 기본적으로 양성자, 중성자, 그리고 전자로 이루어져 있는데, 원자 번호가 커질수록 핵 내부의 양성자 수가 급격히 늘어난다. 그러나 양성자들은 모두 양의 전하를 띠기 때문에 서로 강하게 밀어내는 전기적 반발력(쿨롱 힘)이 발생한다. 이 힘이 지나치게 커지면 원자핵을 결속시키는 강한 핵력으로는 더 이상 균형을 유지하기 어렵게 된다. 이를 보완하기 위해 더 많은 중성자가 필요하지만, 중성자 역시 무작정 늘릴 수는 없다. 일정 수를 넘어서면 중성자 자체가 불안정해지고, 결과적으로 핵 전체가 쉽게 붕괴하게 된다.

또한, 원자 번호가 170에 가까워지면 전자가 원자핵 주위를 도는 속도가 상대론적으로 빛의 속도에 가까워지면서 기존의 양자역학적 모델로는 설명할 수 없는 상대론적 불안정성이 발생한다. 이 시점에서는 전자가 궤도에서 이탈하거나 핵과의 결합이 무너질 수 있으며, 원자 자체가 존재하기 어려운 상태가 된다. 따라서 많은 이론 물리학자들은 인류가 합성할 수 있는 원소의 한계가 대략 원자 번호 170 전후에서 닫힐 가능성이 높다고 보고 있다. 이는 곧 “주기율표의 끝”을 의미하는 중요한 물리적 장벽이 된다.

안정의 섬과 새로운 가능성

그럼에도 불구하고, 모든 초중원소가 곧바로 붕괴하는 것은 아니다. 핵물리학자들은 특정한 양성자와 중성자의 조합이 다른 조합보다 훨씬 안정적일 수 있다는 사실을 발견했다. 이것이 바로 “안정의 섬(Island of Stability)” 이론이다. 이 이론에 따르면, 원자 번호가 114, 120, 126 등 특정 지점에서는 ‘마법수(magic number)’라 불리는 안정된 핵 구조가 형성될 수 있으며, 이러한 경우 반감기가 상대적으로 길어질 가능성이 있다.

예를 들어, 118번 원소 오가네손은 밀리초 단위로 붕괴하지만, 만약 안정의 섬에 해당하는 원소가 실제로 합성된다면 수 초, 수 분, 혹은 몇 년 동안 안정적으로 존재할 수도 있다. 이런 원소는 단순히 과학적 호기심을 충족하는 차원을 넘어, 실제 산업적·기술적 활용 가능성까지 제시한다. 새로운 전도체, 초고밀도 에너지 저장체, 또는 아직 알려지지 않은 독특한 화학적 성질을 가진 물질이 탄생할 수 있다는 점에서, 안정의 섬은 주기율표의 확장 논의에서 가장 흥미롭고 중요한 개념이다.

실험적 한계와 기술적 도전

이론적 가능성이 존재한다고 해도, 초중원소를 실제로 합성하는 것은 매우 어렵다. 현재까지의 초중원소 발견은 대부분 입자 가속기를 활용한 핵융합 반응으로 이루어졌다. 두 원자핵을 초고속으로 충돌시켜 새로운 원자를 만들어내는 방식인데, 원자 번호가 커질수록 성공 확률은 극도로 낮아진다. 예를 들어, 118번 원소 오가네손을 합성하기 위해 과학자들은 수천억 번의 충돌 실험을 진행해야 했으며, 그 결과 겨우 몇 개의 원자가 만들어졌다.

더 큰 문제는 이렇게 합성된 원소의 짧은 반감기이다. 대부분의 초중원소는 합성되자마자 몇 밀리초 이내에 붕괴한다. 이런 상황에서는 그 성질을 제대로 분석하거나 실험하는 것조차 쉽지 않다. 또한 원자 번호가 커질수록 가속기에 요구되는 에너지와 정밀도가 기하급수적으로 증가하기 때문에, 차세대 초중원소 합성을 위해서는 현재보다 훨씬 더 강력한 장치와 정밀한 기술이 필요하다. 이는 단순한 과학적 도전이 아니라, 국가적 차원의 자원과 연구 인프라가 투입되어야 하는 거대한 프로젝트로 이어진다.

미래 과학과 주기율표의 확장성

앞으로 주기율표의 확장은 과학적 호기심을 넘어 국제적 협력과 첨단 기술의 총합으로 이루어질 가능성이 크다. 러시아의 두브나 연구소, 일본의 RIKEN, 미국의 로렌스 리버모어 연구소 등은 이미 20세기 후반부터 초중원소 발견 경쟁을 펼쳐왔으며, 최근에는 협력 체계로도 전환하고 있다. 앞으로는 단순히 가속기 충돌 실험에 의존하지 않고, AI와 양자컴퓨팅을 활용한 예측 모델이 중요한 역할을 할 것이다. 이 기술들은 초중원소의 합성 조건을 미리 시뮬레이션하고, 성공 확률이 높은 실험만을 선별해낼 수 있다.

또한 일부 과학자들은 지구가 아닌 우주 환경에서의 원소 합성 가능성도 언급한다. 초신성 폭발이나 중성자별 충돌 같은 극한 천체 현상에서는 지구 실험실에서는 불가능한 압력과 에너지가 자연스럽게 발생한다. 미래 인류가 우주 환경을 직접 활용하거나 이를 모사할 수 있다면, 지금까지 불가능하다고 여겨졌던 새로운 원소의 합성도 실현될 수 있다. 결국 주기율표는 단순히 실험실의 표가 아니라, 우주 차원에서 물질의 경계를 탐구하는 지도로 확장될 수 있는 것이다.

결론

인류가 얼마나 많은 원소를 만들어낼 수 있는가 하는 질문은 단순히 “숫자의 한계”를 묻는 것이 아니라, 과학이 어디까지 도달할 수 있는지를 시험하는 철학적이고도 기술적인 문제이다. 주기율표는 이미 멘델레예프 시대의 단순한 정렬표를 넘어, 핵물리학과 양자역학, 상대론적 물리학, 그리고 첨단 실험 기술이 총동원된 거대한 지식 체계로 변모하였다. 우리는 현재까지 118개의 원소를 실험적으로 확인했지만, 이는 물질 세계의 가능성 중 극히 일부일 뿐이며, 아직 미지의 빈칸은 여전히 우리를 향해 열려 있다.

그러나 “얼마나 더 많은 원소를 합성할 수 있는가”라는 문제는 단순히 의지와 기술만으로 풀리는 것이 아니다. 앞서 살펴본 것처럼 원자핵을 결속시키는 힘과 이를 붕괴시키려는 힘 사이에는 절대적 한계가 존재하며, 전자 궤도에서 발생하는 상대론적 효과 또한 무시할 수 없다. 이러한 물리적 장벽은 우리가 아무리 거대한 가속기를 만들고, 정교한 기술을 동원하더라도 언젠가는 도달할 수밖에 없는 근본적인 경계를 시사한다. 즉, 주기율표는 무한히 확장될 수 있는 것이 아니라, 자연 법칙에 의해 결정된 끝이 존재할 가능성이 높다.

하지만 그 끝이 어디인지는 아직 아무도 모른다. 안정의 섬 이론처럼 특정 조건에서는 예기치 못한 안정성을 지닌 원소가 나타날 수도 있으며, 새로운 실험 기법이나 우주 환경의 활용이 돌파구를 제공할 수도 있다. 더 나아가, 인공지능과 양자컴퓨팅은 우리가 실험실에서 직접 만들기 전에도 원소의 존재 가능성과 성질을 정밀하게 예측할 수 있도록 도와줄 것이다. 이는 주기율표가 단지 ‘현재의 기록’이 아니라, ‘미래의 지도를 그리는 틀’로 작동하게 할 것이다.

궁극적으로 이 질문은 인류의 도전 정신과도 깊이 연결된다. 새로운 원소의 발견은 단지 과학자들의 성취가 아니라, 인류 전체가 우주의 질서와 물질의 본질을 더 깊이 이해하려는 여정의 일부다. 우리가 만들어낼 수 있는 원소의 수가 130개인지, 150개인지, 혹은 170개 부근에서 멈출지는 중요하지 않을지도 모른다. 더 중요한 것은, 그 과정에서 인류가 자연의 한계를 탐험하고, 새로운 과학적 원리를 발견하며, 이를 통해 스스로의 가능성을 확장해 나간다는 사실이다.

따라서 “우리는 얼마나 많은 원소를 만들 수 있는가?”라는 질문의 답은 단순한 숫자가 아니다. 그것은 곧 인류가 과학을 통해 어디까지 상상하고, 또 어디까지 실현할 수 있는가에 대한 열린 이야기이며, 주기율표는 그 서사의 중심에서 여전히 우리에게 새로운 장을 쓰라고 요구하고 있다.