폭죽의 색이 나타나는 원리와 구조

큰 축제나 행사, 스포츠 경기 등이 있을때 대형 폭죽을 쏘아올려 하늘에 아름다운 모양을 수 놓아 한폭의 그림처럼 보여줍니다. 요즘은 드론을 이용하여 멋진 광경을 나타내기도 합니다만, 이러한 폭죽들의 형형색색한 모습은 어떤 원리로 나타나는 걸까요?

폭죽의 발명

폭죽의 기원은 흑색 화약을 발명한 중국입니다. 중국에서는 예로부터 산화제인 질산칼륨(KNO3)을 주성분으로 하는 질석이 산출되었습니다. 9세기 무렵에는 이미 질석에 목탄과 유황이 첨가된 흑색 화약이 발명되어 화기가 만들어졌습니다. 또, 축제 등으로 흑색 화약을 사용한 폭죽이나, 화약이 불에 타들어가는 것을 보며 원시적인 형태로 불꽃을 즐겼습니다. 이러한 흑색 화약은 시간이 흐르면서 세계 여러나라로 전파 되었는데, 일본에서는 전국시대 때 대나무 통에 흑색 화약을 담아 불을 붙여, 어두운 가운데 화약 가루가 붉게 타들어가는 것을 보고 즐겼다고 합니다. 15세기 조선에서도 불붙인 화약통을 거꾸로 메달아 타닥타닥 불타는 화약 가루가 폭포처럼 떨어져 내리는 것을 보거나, 폭죽을 쏘아올리는 것을 즐겼다고 한다. 하지만 당시에 폭죽의 색은 어두운 붉은 오렌지색으로, 현대의 폭죽처럼 밝고 예쁜 색은 나오지 않았습니다. 어째서 어두운 색의 불꽃밖에 만들지 못하였을까요? 물체는 온도가 높아지면 빛을 냅니다. 예를 들어, 니크롬선에 전기를 통과시키면 발열과 동시에 색이 암적색이 됩니다. 니크롬선은 온도가 올라가면서 다양한 파장의 빛을 내며 점점 밝은 색이 됩니다. 또한 고온이 되면 백색에 가까운 빛을냅니다. 이와 같이 열이 빛이 되어 방출되는 현상을 열방사라고 합니다. 열방사에 의해 물체에서 방출되는 빛의 색을 그 물체의 절대온도로 나타낸 것을 색온도라고 합니다. 색온도에 따라 광원의 색을 수치적으로 나타낼 수 있습니다. 반대로 광원의 색으로부터 광원의 온도를 알 수 있습니다. 과거의 불꽃의 색이 어두웠던 것은 흑색 화약의 연소 온도가 낮았기 때문입니다. 질산칼륨은 산화제로서 연소를 촉진하는 작용이 있습니다만, 그 연소 온도는 2000℃ 이하입니다. 이 정도의 온도의 연소에서는 어두운 붉은 오렌지색의 빛 밖에 나오지 않습니다. 중국에서 아라비아를 거쳐 전달된 유럽에서는 화약의 연구가 비약적으로 진행되었습니다. 프랑스의 화학자 클로드 루이 베르톨레는 1768년에 질산칼륨보다 강한 산화제인 염소산칼륨(KClO3)을 합성했습니다. 염소산칼륨을 화약에 첨가하면 연소 온도가 2000℃를 초과 합니다. 또한 알루미늄이나 마그네슘 등의 금속 분말을 화약에 첨가하면 연소 온도가 3000℃ 가까이 되어 눈부신 은백색의 빛이 나옵니다. 유럽 ​​불꽃은 동양의 불꽃보다 훨씬 밝았습니다. 이윽고 염소산칼륨은 다시 동양으로 전해집니다. 염소산칼륨은 매우 위험하기 때문에, 현재의 불꽃에는 과염소산칼륨(KClO4)이나 과염소산암모늄(NH4ClO4)이 이용되고 있습니다.현대에는 화약에 포함시킨 산화제에서 연소에 필요한 산소를 공급받을 수 있어서 물 속에서도 불꽃을 볼 수 있습니다.

반응형

빨강, 노랑, 녹색, 파랑 등 다양한 색상의 폭죽

현재 우리가 자주 보는 폭죽은 빨강, 노랑, 녹색, 파랑 등 앞서 언급한 열방사로는 나오지 않는 실로 다양한 색을 내고 있습니다. 폭죽에서 여러가지 아름다운 색의 빛이 나오는 이유는 화약에 착색제가 섞여 있기 때문입니다. 여러가지 색을 낼 수 있는 착색제는 무엇일까요? 금속 화합물을 고온에서 가열하면 금속 원소에 따라 특유한 색의 불꽃이 나옵니다. 이것을 불꽃 반응이라고 합니다. 금속 화합물이 고온이 되면 분해되어 금속 원자 내의 전자가 불안정한 고에너지 상태가 됩니다. 그러나 전자는 즉시 원래의 안정된 저에너지 상태로 돌아가려고 합니다. 이 때 전자가 방출하는 에너지가 가시광선으로 방출됩니다. 금속 원소에 따라 전자 상태가 다르기 때문에 각각의 금속 원소에서는 서로 다른 색의 빛이 나옵니다. 폭죽에 사용되는 착색제는 금속 화합물입니다. 착색제를 포함한 화약이 연소하면, 연소로 분해·생성한 불안정한 화합물로부터 특정 파장의 빛이 나옵니다. 이 빛이 폭죽의 색깔의 정체입니다. 어떤 금속 화합물이 색을 내고 있는 것 일까요. 위의 사진은 셔터 속도를 늦추고 불꽃을 찍은 사진입니다. 폭죽이 터지면서 나온 불꽃이 여러가지 색을 내고 있는 것을 알 수 있습니다. 적색을 내기 위해서는 질산스트론튬(Sr(NO3)2), 탄산칼슘(CaCO3) 등의 화합물이 사용됩니다. 녹색에는 바륨 화합물, 노란색에는 나트륨 화합물이 사용됩니다. 청색은 연소 온도가 높아지면 다른 색으로 약해지기 때문에 만들기가 어려워, 아직도 깨끗한 청색은 완성되어 있지 않습니다. 현재는 구리 화합물이 사용되고 있습니다. 색조를 바꾸거나 중간색을 만들려면 착색제의 배합을 바꿉니다. 예를 들어 적색의 스트론튬 화합물과 청색의 구리 화합물을 혼합하면 보라색이 됩니다. 또한 다른 색의 착색제를 폭죽 안에서 층을 나누어 배치하여 색이 변화하는 불꽃을 만들 수 있습니다. 이렇듯 폭죽은 화약과 착색제를 이용하여 빛과 색으로 축제를 벌이는 것과 같습니다.