5) 열과 빛의 비밀

태양의 여러 가지 풍경

 

 

5) 열과 빛의 비밀

 

태양은 굉장한 열과 빛을 사방으로 내고 있다. 태양 광선의 에너지는 1초간에 1억 칼로리의 1억 배에다가 930만 배라는 계산이 나온다. 숫자로 나타낸다면 93,000,000,000,000,000,000,000키로 칼로리가 된다. 도대체 이는 얼마 정도의 열량인가 상상도 할 수 없는 것이다.

인간은 옛날부터 많은 열과 빛을 사용해 왔다. 인류가 지금까지 사용한 에너지를 전부 합계해도 그것은 태양이 단지 3만분의 1초간에 내는 에너지 정도밖에 되지 아니한다. 더욱이 우리의 지구상에 내려 쏟아지는 열이나 빛은 태양이 사방으로 내놓고 있는 에너지 중에 약 22억분의 1 정도의 것이다. 그런데 그래도 지구가 1초간에 받고 있는 양은 약 7백만 톤의 석탄을 한꺼번에 태울 때 나는 열이나 빛에 상당하다. 태양이 내는 에너지는 터무니없이 한이 없다고 할 수밖에 없다.

도대체 태양이 내는 열과 빛은 어떻게 해서 생겨나는 것일까 ? 한 마디로 말하면 태양은 원자력을 써서 빛내고 있는 것이다. 원자력이란 원자 속에 숨겨진 큰 에너지를 말한다. 모든 물질은 원자라는 작은 알맹이로 되어있다. 이 원자 속에는 중심에 원자핵이라는 심이 있고 그 둘레를 전자라는 작은 알맹이가 돌고 있다. 그런데, 우란 같은 무거운 원자핵에 중성자라는 알맹이가 부닥치면 원자핵이 거의 두 개로 쪼개져서 다른 가벼운 원자핵으로 변해버리는 현상이 있다. 이 때 중량의 일부가 없어져서 커다란 에너지로 변한다. 이것을 우란의 핵분열이라 한다. 1킬로의 우란이 핵분열을 일으키면 1천분의 1에 해당하는 약 1그램의 중량이 없어지고, 그 대신에 석탄으로 말하면 약 3천 톤에 해당하는 열과 빛이 나오는 것이다. 이를 휘발유로 말하면 우란 1킬로그램이 내는 에너지는 55만 가론에 상당한다. 이 정도의 휘발유가 있다면 자동차로 지구의 둘레를 15회나 돌 수 있는 것이다.

이처럼 원자력은 매우 뛰어난 에너지원인데 우란과 같은 무거운 원소의 핵분열이 아니면 이용할 수 없는 것은 아니다. 수소나 중수소처럼 가벼운 원자핵을 매우 높은 온도나 압력으로 붙이면 무거운 다른 원자핵으로 변한다. 우란의 핵분열과는 반대 방법으로이다. 예를 들면 중수소의 원자핵을 두 개 붙여서 헬륨 원자핵 하나로 변하는 것이다. 그래서 이런 경우에도 반응 후에 무게의 일부가 없어져서 대단한 열과 빛이 방출된다.

우리들의 태양은 이 핵융합반응을 일으켜 쉬지 않고 열과 빛을 생산해내고 있는 것이다. 현재 지상에는 우란 등의 핵분열을 써서 원자탄을 만든다든지 원자력발전소를 건설한다든지 하고 있다. 핵융합반응을 쓰는 경우는 수소폭탄뿐이다. 핵융합은 보통 상태에서는 일어나지 아니하므로 한가운데에 원지폭탄을 놓고 그 둘레를 중수소와 같은 가벼운 원소로 둘러둔다. 그래서 먼저 원자폭탄을 폭발시켜 그 때 나오는 굉장한 열로 가벼운 원소의 원자핵을 붙여서 핵융합을 일으키는 것이다. 이 때에는 터무니없이 많은 에너지가 방출되는데 폭탄으로는 인류에 이익이 되지 아니한다.

그런데 태양 속에서는 수소의 핵융합반응이 극히 당연히 일어나고 있다. 이것은 태양 속이 온도나 압력이 높고 수소를 태울 수 있는 거대한 원자력엔진이 되어 있기 때문이다. 태양 속에는 네 개의 수소 원자핵이 차례차례로 연결되어서 결국 일개의 헬륨으로 변하는 반응이 일어나고 있다. 이 때 생기는 헬륨 한 개의 무게는 네 개의 수소의 99퍼센트 밖에 되지 아니한다. 곧 약 1퍼센트 정도의 무게가 없어지고 대량의 열과 빛으로 변한 것이다. 이 경우 1킬로의 수소가 내는 에너지는 석탄으로 하면 2만 9천 톤 정도가 된다. 지상에서의 우란 핵분열에 비하면 10배 가까운 에너지이다. 그런데 태양의 대부분은 수소로 되어있다. 그러니까 태양의 원자력 엔진은 연료가 없어서 곤란해지는 법은 없고 사방의 공간으로 쉬지 않고 열과 빛을 방출하고 있는 것이다.