독립기념일 '불꽃 놀이'의 과학

흰색, 빨간색은 제조 쉬우나 파란색 불꽃은 어려워

복합적 화학물로 연소, 빛 그리고 음향 만들어

많은 사람들의 눈에 7월 4일은 퍼레이드, 바비큐, 불꽃놀이가 있는 날이다. 이 전통은 건국의 아버지들이 필라델피아에 모여 독립선언문을 작성하고 서명한 후 미국 역사가 시작될 때 비롯되었다.

1776년 7월 4일, 대륙회의가 독립선언문을 채택한 지 하루 뒤, 훗날 미국의 두 번째 대통령이 된 존 애덤스는 아내 애비게일에게 독립기념일을 선언하는 편지를 썼다. 1년 후인 1777년, 필라델피아는 애덤스가 '일루미네이션'이라고 명명한 불꽃놀이와 독립기념일을 기념하는 퍼레이드로 이 날을 기념했다.

미국 건국 초기에 존 애덤스는 아내 애비게일에게 보낸 편지에서 독립기념일에 대해 " 대륙의 이쪽 끝에서 저 쪽 끝까지 영원히, 쇼, 게임, 스포츠, 총, 종, 모닥불, 일루미네이션으로 화려함과 퍼레이드로 엄숙하게 거행되어야 한다"고 썼다. "모닥불과 일루미네이션"은 우리가 알고 있는 불꽃 제조술과 폭죽을 직접 말한다. 불꽃놀이가 유색의 불을 생성하는 연소 반응의 좋은 예이다. 그러나 유색 불꽃 놀이의 발명은 비교적 최근의 일이며 모든 색상을 쉽게 생산할 수 있는 것은 아니다.

전국의 많은 사람들에게 독립기념일은 불꽃놀이의 소리와 다채로운 조명 쇼로 가득 찰 것이다. 큰 굉음 같은 소리부터 긴 휘파람 소리, 밝은 빨간색에서 옅은 파란색에 이르기까지 수천 가지의 다양한 불꽃놀이와 이 재미있는 폭발을 탐구하는 화학 분야의 전체 분야가 있다. 불꽃놀이의 안전한 사용과 휴일을 축하하기 위한 불꽃놀이 사용을 장려한다.

불꽃놀이를 위한 수백 가지 화학 공식이 있다. 확학자들은 하고 싶은 대로 불꽃놀이 제조 레시피가 있다. 이 혼합법은 여전히 전형적인 고대 화학 물질 혼합물을 기반으로 하지만 현대 불꽃놀이는 오늘날의 놀라운 쇼를 보여주기 위해 모든 종류의 화학 마법을 사용한다.

불꽃놀이의 초기 역사

폭죽은 기원전 200년 중국인에 의해 우연히 처음 발명되었다. 그러나 1000년 후가 되어서야 중국의 연금술사들이 서기 800년에 폭죽을 개발했다. 이런 초기의 불꽃놀이는 대부분 악령을 겁주기 위해 고안된 밝고 시끄러운 혼합물이었고 오늘날 우리가 보는 화려하고 통제된 폭발은 아니었다. 또 다른 천년이 흘러 이탈리아인들은 가연성 혼합물에 다양한 요소를 도입해 색상을 추가하는 방법을 알아냈다. 색상 불꽃 혼합물에 스트론튬 원소를 추가하면 붉은 불꽃이 생성된다. 구리는 파란색, 바륨은 녹색 그리고 노란색은 나트륨이다.

화학 물질이 너무 많거나 너무 적으면 온도에 큰 변화가 일어나 보이는 색의 파장이 달라진다. 점화될 때 화학 물질의 적절한 혼합물은 전자를 여기시켜 다양한 색상의 빛을 발산하기에 충분한 에너지를 생성한다. 이 색상들의 화학적 성질이 새로운 것은 아니지만, 각 세대는 하늘에 흩뿌려진 색상에 흥분한다.

현재 폭죽은 빨간색, 녹색, 파란색, 노란색, 자주색 및 이들의 변형과 같은 다양한 불꽃 색상을 갖고 있다. 각 색상은 동일한 방식으로 작동한다. 서로 다른 원소가 발화하면 서로 다른 색상으로 변환되는 다른 파장의 빛을 방출한다.

미국의 폭죽 사용 증가 추세

현재 미국인들은 모든 남성, 여성 및 어린이가 매년 거의 1파운드의 폭죽을 쏘고 있다. 그리고 이 수치는 2000년 0.5파운드에서 최근 몇 년 동안 급격히 증가했다. 1976년, 미국 건국 200주년을 맞았을 때, 그 수치는 연간 0.1파운드에 불과했다.

이런 급격한 증가 이유는 불꽃놀이를 사용하는 개인에 대한 주 정부의 금지 규정이 꾸준히 완화하고 있기 때문이다. 오늘날 매사추세츠, 뉴저지, 델라웨어의 3개 주만이 개인이 모든 종류의 불꽃놀이를 소유하고 사용하는 것을 완전히 금지하고 있다. 나머지는 모두 어떤 형태로든 사용할 수 있다. 2000년 이후 15개 주에서 불꽃놀이법을 자유화했다. 불꽃놀이를 허용한 가장 최근의 주는 아이오와다. 그러나 새로운 법은 7월 4일 전후 며칠과 크리스마스와 새해 전야 전후에만 폭발할 수 있도록 허용한다.

주에서는 이제 개인이 불꽃놀이를 구입하고 소유할 수 있도록 허용하고 있기 때문에 전문가에서 아마추어로 큰 전환이 있었다. 2000년 당시만 해도 하늘로 쏘아 올리는 불꽃놀이의 약 3분의 1은 섣달 그믐날이나 국가 기념일과 같은 휴일에 전 세계 도시의 하늘을 밝히는 전문 불꽃놀이를 위한 것이었다. 2016년에는 프로페셔널 디스플레이가 차지하는 비율이 10% 미만이었다.

모든 것은 흑색 화약에서 시작

모든 폭죽의 첫 번째 재료는 고대의 폭발성 흑색 화약이다. 이것은 천 년 전에 중국의 연금술사들에 의해 발견되었고, 그 제조법은 그 이후로 수세기 동안 거의 변하지 않았다. 흑색 화약을 만들려면 질산칼륨 75%, 숯 15%, 황 10%를 섞기만 하면 된다. 기본적인 폭죽을 만들려면 일반적으로 두꺼운 판지나 종이로 만든 용기에 이 가루를 넣기만 하면 된다. 흑색 화약은 공중에 불꽃놀이를 발사하는 데 사용될 뿐만 아니라 색상과 같은 효과를 하늘의 패턴으로 점화하고 추진하는 데 사용된다.

퓨즈 또는 스파크에 불을 붙이면 황은 화씨 235도에서 먼저 녹는다. 유황은 질산칼륨과 숯 위로 흘러 연소된다. 이 연소 반응은 많은 양의 에너지와 가스, 즉 폭발을 빠르게 생성한다. 가스가 빠져나갈 수 있는 작은 구멍이 있으면 반응으로 불꽃이 공중으로 발사된다.

매우 밀폐된 공간에서 불꽃놀이의 구성 요소를 폭발시키고 근처의 모든 것에 불을 붙인다. 흑색 화약의 밀폐 정도를 변경하는 것 외에도 분말 알갱이의 크기를 변경하면 연소 속도도 변경할 수 있다. 모닥불을 생각해 볼 수 있다. 큰 나뭇가지를 추가하면 불꽃이 더 길고 느리게 타오른다. 톱밥 한 줌을 불에 던지면 뜨겁고 빠르게 타오른다. 흑색 화약도 비슷하게 작동하므로 에너지가 방출되는 양과 속도를 쉽게 제어할 수 있다.

완벽한 푸른 폭죽 만들기

밀폐된 공간에 아주 미세한 흑색 화약을 넣으면 열, 가스 및 소음의 구름 속에서 폭발한다. 그렇다면 색상과 밝은 빛은 어디에서 오는 것일까? 어떤 물질을 가열할 때 실제로 하는 일은 그 물질 원자의 전자에 에너지를 넣는 것이다. 전자를 충분히 흥분시키면 전자가 정상 에너지 수준으로 떨어질 때 초과 에너지를 빛으로 방출한다. 불꽃놀이에 추가하고 가열하면 다른 색상으로 나타나는 다양한 파장의 빛을 방출하는 여러 가지 요소가 있다. 스트론튬은 빨간색을 만든다. 바륨은 녹색을 생산하고 구리는 파란색으로 타는 식이다.

모든 색상의 폭죽을 만드는 것이 똑같이 쉬운 것은 아니다. 불꽃놀이 연구 및 개발에 종사하는 몇 명은 파란색이 생산하기 가장 어려운 색상이라는 데 동의한다. 푸른색을 만들어내는 폭죽을 만드는 것은 폭죽 제조 화학자들에게 오랫동안 도전 과제였다. 짙은 파란색은 너무 어둡고 밤하늘을 배경으로 볼 수 없다.

배경과 대조를 이루기 위해 파란색을 더 밝게 만들려고 하면 색이 바랜 것처럼 보일 수 있다. 그러나 파란색이 너무 밝으면 흰색으로 보인다. 따라서 "퍼펙트 블루"의 파장은 매우 정확해야 한다. 파란색 빛은 파장이 더 짧기 때문에 이를 달성하기 어렵고, 이는 빛의 파동의 최고점과 최저점 사이의 거리가 매우 가깝다는 것을 의미한다. 화염 또는 연소 반응에서 구리와 기타 화학 물질의 적절한 균형은 불꽃놀이에서 최상의 파란색 불꽃을 생성한다.

최고의 푸른 불꽃 색상은 밤하늘을 배경으로 눈에 띌 수 있을 만큼 밝지만 여전히 풍부한 파란색이다. 20개 이상의 푸른 폭죽 제조 방식이 있지만 이 애매한 색조에 매우 가까운 공식을 찾기 위해 아직 다수의 불꽃 제조자들이 시도하고 있다. 강렬한 파란색을 만드는 또 다른 어려움은 화학적 반응이 단순하지 않다는 것이다.

여러 화학 물질과 구리 원소의 조합이 필요하다. 구리가 점화되면 구리 원자를 둘러싼 전자가 불꽃 속에서 들뜨고 에너지를 공급받는다. 전자가 이 에너지를 방출하면 관찰자에게 파란색 빛으로 보인다. 각 색상은 같은 원리로 작동한다. 서로 다른 원소가 발화하면서 서로 다른 파장의 빛을 방출하고, 이는 서로 다른 색으로 변환된다. 따라서 밤하늘에 푸른 빛의 점들이 패턴을 만드는 것을 볼 때, 실제로는 들뜬 전자가 푸른 빛으로 에너지를 방출하는 것을 보고 있는 것이다.

특정 요소는 다른 색상을 생성하지만 반짝임과 번쩍임의 효과를 내기 위해 불꽃 공식에 다양한 금속을 추가할 수 있다. 알루미늄, 마그네슘 및 티타늄은 모두 흰색 불꽃을 생성한다. 철을 추가하면 황금 불꽃을 얻을 수 있다. 다양한 종류의 숯을 섞으면 빨간색과 주황색 불꽃이 발생할 수 있다. 이런 각각의 요소는 다른 속도와 다른 방식으로 연소되므로 다양한 색상과 강도의 빛을 생성한다.

휘파람 또는 굉음 만들기

좋은 폭죽 제조의 마지막 부분은 흥미진진한 음향 효과다. 불꽃놀이에 음향 효과를 추가하려면 많은 양의 가스를 매우 빠르게 생성하는 공식이 필요하다. 불꽃놀이에 가스가 빠져나갈 수 있는 작은 구멍이 있으면 휘파람 소리가 난다. 가스의 속도와 개구부의 크기에 따라 휘파람의 피치와 소리가 달라진다. 굉음을 만드는 것이 훨씬 쉽다. 가스가 갈 곳이 없는 밀폐된 공간에 에너지 포뮬러를 넣기만 하면 된다. 점화되면 압력이 높아지고 불꽃놀이가 폭발해 갑작스러운 폭발음이 발생한다

이번 독립기념일에 불꽃놀이를 보거나 뒤뜰에서 직접 불꽃놀이를 펼치면 이제 불꽃놀이가 어떻게 작동하는지 알게 될 것이다. 불꽃놀이는 재미있지만, 폭발과 불타는 화학 물질은 위험하다. 시에서 합법적으로 소비자용 폭죽을 발사할 수 있다면 올바르게 사용하는 것이 중요하다.