신문은 선생님

가을이 깊어가는 무렵, 서울의 밤하늘은 특별한 무대로 변합니다. 지난 27일, 여의도 한강공원 일대에선 '2025 서울세계불꽃축제'가 열렸는데요. 우리나라를 비롯해 이탈리아와 캐나다의 불꽃팀이 참가해 밤하늘을 예쁜 불빛으로 수놓았답니다.

까만 하늘 위로 붉은 꽃, 노란 별, 파란 파도처럼 생긴 불꽃들이 차례차례 터져 나오면, 가슴이 두근두근 뛰고 귀를 울리는 "펑!" 소리에 온몸이 짜릿해집니다. 그런데 이렇게 눈부신 쇼 뒤에는 우리가 잘 모르는 원소의 비밀이 숨어 있었다는 사실, 알고 있었나요? 오늘은 불꽃놀이에 담긴 원소 이야기를 알아보도록 하겠습니다.

원소와 원자, 그리고 전자

세상에 있는 모든 것은 원소라는 기본 재료로 이루어져 있어요. 물을 만드는 수소(H)와 산소(O), 우리가 숨 쉬는 공기의 질소(N), 자동차를 만드는 철(Fe) 모두 원소입니다. 우리가 매일 만지는 책상, 먹는 음식, 심지어 오늘의 주제인 불꽃놀이도 바로 원소에서 비롯된답니다.

원소는 눈에 보이지 않을 만큼 작은 원자라는 알갱이로 이루어져 있어요. 원자를 더 자세히 들여다보면, 가운데에는 무겁고 단단한 원자핵이 있고, 그 주위를 전자라는 아주 가벼운 입자들이 둘러싸고 있지요.

이 전자들은 아무렇게나 움직이지 않습니다. 정해진 자리 안에서만 움직일 수 있어요. 마치 학생들이 자기 반 교실에서만 수업을 듣는 것과 같지요. 이 자리를 과학에서는 전자 궤도 또는 '오비탈'이라고 설명합니다. 이는 마치 하늘에 떠 있는 구름과도 비슷하답니다. 구름이 뭉게뭉게 모여 있듯, 전자도 원자핵을 중심으로 특정한 자리에서만 머물 수 있는 거예요.

색을 내는 전자의 비밀

그렇다면 원소들은 어떻게 색을 낼 수 있을까요? 그 비밀은 바로 전자에 숨어 있답니다. 폭죽 속 화약이 터질 때, 폭죽 안에 있는 원소들은 뜨거운 열을 받게 돼요. 그러면 원자 속 전자들이 열 에너지를 얻어 원래 있던 자리보다 바깥쪽, 즉 핵에서 더 멀리 떨어진 자리로 잠시 들떠 올라갑니다.

하지만 전자는 계속 높은 자리에 머물지 않고, 곧 다시 원래 자리로 돌아오게 되지요. 이때 남는 열에너지가 바로 빛 형태로 방출돼 우리 눈에 보이게 되는 것입니다.

이러한 과정을 이해하기 쉽게 계단에 비유할 수 있어요. 우리가 낮은 계단에 서 있다가 높은 계단으로 잠시 올라갔다가 다시 내려오면 "쿵!" 하고 발자국 소리가 나지요? 전자도 똑같답니다. 계단에 올랐다가 내려오면서 빛이라는 발자국 소리를 남기는 거예요. 우리가 보는 불꽃놀이의 색깔은 전자가 제자리로 돌아오면서 내놓은 '빛의 무늬'인 셈이에요.

그럼 왜 원소마다 다른 색이 나오는 걸까요? 원소마다 정해진 전자의 자리가 다르기 때문입니다. 어떤 원소는 전자가 오르내리는 자리 간격이 커서 "쿵" 소리를 크게 내고, 어떤 원소는 간격이 좁아 작은 소리를 내지요. 간격이 큰 원소는 푸른빛·보랏빛 같은 차가운 빛을, 간격이 작은 원소는 붉은빛·노란빛 같은 따뜻한 빛을 냅니다.

이처럼 서로 다른 원소의 성질을 이용해 즐기는 불꽃놀이는 원하는 색을 표현하기 위해 폭죽에 특별한 원소를 넣어요. 예를 들어 빨간 불꽃을 만들고 싶다면 스트론튬(Sr)이나 리튬(Li)을, 노란 불꽃은 나트륨(Na)을, 초록 불꽃은 바륨(Ba)을, 보라색 불꽃은 칼륨(K)을, 그리고 또 하얗게 반짝이는 불꽃은 마그네슘(Mg) 등을 사용하지요.

게다가 폭죽은 한 가지 색에 그치지 않고, 마치 화가가 물감을 섞듯 서로 다른 원소들을 조합해 새로운 빛깔을 만들어냅니다. 원소들이 하나하나 섞여 밤하늘에 알록달록한 불꽃을 만들어 내는 것이지요.

폭죽의 소리와 모양, 어떻게 만들어질까?

하늘을 가득 메우는 '펑!' 소리와 다양한 불꽃의 모양에도 과학적 원리가 숨어있답니다. 폭죽의 폭발 소리는 화약이 순식간에 타면서 엄청난 양의 가스를 만들어 내고, 이 가스가 주변의 공기를 밀어내며 커다란 압력의 충격파를 일으키기 때문에 나는 거예요. 작은 폭죽은 화약의 양이 적어 발생하는 가스도 적기 때문에, 가볍게 '팡팡' 하며 터져요. 반대로 화약이 많이 들어 있는 큰 폭죽은 '쾅' 하며 크게 울리지요.

모양은 더욱 신기합니다. 폭죽 속에는 불꽃이 터질 때 함께 날아가는 작은 알갱이들이 들어 있는데, 이 알갱이들이 어떤 모양으로 배열되느냐에 따라 하늘에 펼쳐지는 불꽃의 모습이 달라집니다. 동그랗게 배열하면 원형 불꽃, 별 모양으로 배열하면 반짝이는 별 불꽃이 터져 나오지요. 하늘을 수놓는 하나하나의 불꽃 뒤에는 원소의 성질, 압력과 소리의 원리, 그리고 세심한 배열 기술이 숨어 있는 것이지요.

불꽃놀이도 안전이 우선

불꽃놀이는 안전하게 즐기는 것이 가장 중요해요. 불꽃에 가까이 다가가면 뜨거운 불씨가 튀어 화상을 입을 수 있고, 큰 폭죽은 예상치 못한 방향으로 날아갈 수도 있답니다. 그래서 불꽃놀이는 전문가들이 정한 관람 구역에서 보는 것이 가장 안전하지요.

또, 불꽃이 타면서 나오는 연기엔 금속 원소가 연소하면서 만들어지는 미세 먼지도 섞여 있을 수 있답니다. 이 입자들은 호흡기에 좋지 않은 영향을 줄 수 있으니, 가까이에서 오래 흡입하지 않도록 조심하는 게 좋아요. 그래서 요즘에는 환경을 덜 해치는 새로운 폭죽을 연구하거나, 소리를 줄이고 연기도 적게 나는 불꽃놀이를 개발하려는 노력도 계속되고 있답니다.