요즘 뉴스에서는 전쟁 소식이 자주 나옵니다. 전쟁 영상을 보면 갑자기 ‘펑’ 하는 소리와 함께 강한 빛과 연기가 퍼지고, 주변 물체가 순식간에 무너집니다. 이런 장면을 보면서 한 번쯤 궁금해질 수 있어요. 단단해 보이는 폭탄이 어떻게 한순간에 산산이 흩어질까요? 폭탄은 어떻게 주변을 휩쓸 만큼 강력한 힘을 만들어낼까요?

폭발은 물질이 매우 빠른 속도로 변하면서 에너지가 한꺼번에 밖으로 쏟아져 나오는 과정입니다. 눈에 보이지 않는 곳에선 원자들이 다시 배열되고, 그 과정에서 강한 힘이 만들어지면서 폭발력이 생기는 거예요.

그런데 이 같은 변화가 어디에서 일어나는지에 따라서 다른 결과를 만들어냅니다. 원자의 ‘겉’에서 변화가 일어날 때와, 원자의 ‘속’에서 변화가 일어날 때 폭발력에 엄청난 차이가 생겨요. 이것이 바로 일반 폭탄과 핵폭탄의 차이입니다. 오늘은 원자의 겉과 속에서 일어나는 폭발의 비밀을 살펴보겠습니다.

원자 바깥에서 변화가 일어나는 일반 폭탄

우리가 흔히 말하는 폭탄은 화학물질을 이용해 만들어집니다. 그중 대표적인 물질이 바로 TNT예요. TNT는 ‘트리니트로톨루엔(Trinitrotoluene)’이라는 긴 이름을 가진 물질로, 탄소·수소·질소·산소 등 원소들이 모여 만들어집니다. TNT는 단단한 고체처럼 보이지만 그 안에는 눈에 보이지 않는 작은 입자들이 에너지를 저장한 채 빽빽하게 모여 있어요.

그렇다면 TNT는 어떻게 폭발할까요? 아주 짧은 시간에 많은 기체가 만들어지면서 일어납니다. 쉽게 말해, 작은 공간 안에서 갑자기 엄청난 양의 기체가 생겨나는 것이죠. TNT에 충격이나 열이 가해지면, 원자들이 서로 연결돼 있던 상태가 동시에 끊어지면서 순식간에 기체로 바뀝니다. 그리고 이 기체들이 크게 부풀어 오르며 주변을 강하게 밀어내죠. 풍선을 너무 빠르게 불면 터지는 것처럼, TNT에서도 기체의 양이 순식간에 늘어나면서 ‘펑’ 하고 폭발하게 되죠. 이런 변화는 TNT를 구성한 원자들 자체가 바뀌는 것이 아니라 원자와 원자 사이의 연결이 끊어져서 생긴 거예요. 그래서 일반 폭탄의 폭발은 원자의 겉에서 일어나는 변화인 셈이죠.

그래픽=진봉기

원자 안에서 변화가 일어나는 핵폭탄

그렇다면 원자의 속에서 변화가 일어나면 어떤 일이 벌어질까요? 일반 폭탄이 원자의 겉에서 변화가 일어나는 원리라면, 핵폭탄은 원자의 속에서 변화가 일어나는 원리입니다. 여기서 말하는 원자의 ‘속’이란 바로 원자 중심에 있는 ‘원자핵’을 의미해요.

먼저 원자의 구조를 살펴볼까요? 원자는 가운데에 ‘원자핵’이 있고, 그 주변을 ‘전자’가 돌고 있는 형태입니다. 그리고 원자핵은 ‘양성자’와 ‘중성자’라는 입자로 이뤄져 있어요.

핵폭탄에서 중요한 역할을 하는 게 바로 이 ’중성자‘입니다. 핵폭탄 안에는 중성자를 순간적으로 방출해 반응을 시작시키는 장치가 있는데, 여기서 필요한 순간에 중성자를 만들어 이미 안에 있던 원자핵과 부딪히게 합니다. 원자핵이 외부에서 온 중성자와 부딪히면, 원자핵이 대부분 둘로 쪼개지는 핵분열이 일어납니다. 이 과정에서 큰 에너지가 발생해요.

원자핵 속 양성자와 중성자는 매우 강한 힘으로 단단히 붙어 있는데, 핵분열이 일어나면 이 결합이 깨지면서 그만큼 큰 에너지가 한꺼번에 방출됩니다. 이것이 바로 핵폭탄이 일반 폭탄보다 훨씬 큰 에너지를 만들 수 있는 이유이지요.

연쇄 반응까지 일으키는 핵폭탄

게다가 이런 반응은 한 번으로 그치지 않는답니다. 분열한 원자핵에서 새로운 중성자를 만들어 다른 원자핵으로 보내 핵분열을 일으키는 ‘연쇄 반응’이 생기는 것이죠. 아주 짧은 시간에 수많은 핵분열이 마치 도미노처럼 이어지는 거예요. 핵폭탄에서 연쇄 반응이 한꺼번에 일어나면, 매우 큰 에너지가 발생합니다. 반면 일반 폭탄은 단 한 번의 반응으로 기체가 만들어지면서 폭발이 발생하지만, 이 반응이 계속 이어지지는 않죠. 이런 이유로 핵폭탄의 폭발력은 일반 폭탄의 수백만 배 이상에 달할 수 있어요.

핵분열을 일으키는 연쇄 반응이 모든 물질에서 발생하진 않습니다. 보통 핵폭탄이나 핵발전소 관련 영화를 보면 ‘우라늄’ 또는 ‘플루토늄’이 함께 언급되는 걸 본 적이 없나요? 일반 폭탄이 TNT라는 물질을 이용하듯이 핵분열은 우라늄과 플루토늄 등 무거운 원소에서 잘 일어난답니다. 우라늄과 플루토늄은 원자핵이 비교적 쉽게 쪼개질 뿐 아니라, 이 과정에서 새로운 중성자를 여러 개 방출하는 성질을 갖고 있어요.

연쇄 반응 속도를 조절해 전기 생산

핵분열은 핵폭탄 같은 무기도 되지만, 발전소에서는 연쇄 반응의 속도를 아주 천천히 조절해 전기를 만드는데 활용됩니다. 핵분열이 일어나는 원자로에서 발생한 열로 물을 끓여 수증기를 만들고, 이 수증기가 터빈과 발전기를 돌리면서 전기가 생산되는 것이죠. 결국 중요한 건 우리가 에너지를 어떻게 활용하느냐예요. 우리는 과학이 가진 힘을 이해하고, 더 안전하고 올바른 방향으로 사용하는 방법을 고민해야 합니다. 눈에 보이지 않는 작은 세계를 이해하는 것이, 우리가 가진 가장 큰 힘을 이해하는 시작일 것입니다.