불이란 무엇일까? 우리는 불을 이용해 요리를 하기도 하며, 공간을 따뜻하게 만들기도 한다. 이렇듯 불은 우리 일상에서 자주 접하며 사용하게 된다. 그렇다면 이 불이란 무엇이고 어떻게 만들어질까.
불이란 무엇인가. 표준국어대사전에서는 불을 다음과 같이 정의한다.
| 물질이 산소와 화합하여 높은 온도로 빛과 열을 내면서 타는 것 |
위에서 불에는 세 가지 요소들이 꼭 필요하다고 한다. 그 요소들은 다음과 같다.
- 물질
- 산소
- 높은 온도(발화점 이상의 온도)
불이라는 현상은 위의 세 가지중 한 가지라도 빠지게 되면 일어나지 않는다. 근데, 물질과 높은 온도 이 두 가지까지는 몰라도 산소가 없으면 정말로 불이 붙지 않을까? 이에 대해서 실제로 해볼 수 있는 간단한 실험이 한 가지 있다. 먼저 속이 보이는 투명한 유리컵과 유리컵 안에 들어갈 정도의 양초를 구한다. 준비가 됐으면, 양초에 먼저 불을 켜놓고 유리컵으로 덮어버린다. 그렇게 몇 초간 기다리면 불꽃이 점점 약해지다가 결국에는 꺼지게 된다. 이렇게 불이 꺼지게 되는 이유는 물질이 불에 타게 되면 산소가 이산화탄소로 바뀌며 산소가 적어지게 되며 불이 꺼지는 것인데, 이와 같이 간단한 실험으로 산소가 필요하다는 사실을 확인해 볼 수가 있다.
그렇다면, 불은 빛과 열을 내면서 타는 것이라는데, 어떻게 빛을 내고 어떻게 열을 내는 걸까?
먼저, 우리가 알고 있는 빛은 사실 전자기파이다. 전자기파는 자외선, 가시광선, 적외선 등 다양한 종류의 전자기파들이 있다. 그중 우리가 직접 볼 수 있는 빛은 가시광선이라 불린다.
가시광선에는 가장 파장이 긴 적색부터 파장이 짧은 보라색까지 무지개 빛깔처럼 여러 색들의 광선들이 있다. 그리고 가시광선보다 파장이 긴 전자기파를 적외선이라고 부르며, 가시광선보다 파장이 짧은 전자기파는 자외선이라고 부른다.
전자기파는 전기적인 물질이 움직일 때 생기게 되는데 실제로 전자의 움직임으로 인해 여러 전자기파들이 나온다. 이때 원자 내 전자는 에너지별로 분류된 층에 따라 움직이게 되는데, 만약 높은 에너지층에서 낮은 에너지 층으로 움직이게 되면, 전자는 에너지를 발산하며 에너지에 맞는 빛과 열을 발산하게 된다.
반대로는 전자가 에너지를 얻게 되는 경우도 있는데, 만약 전자가 에너지를 얻게 된다면, 에너지 준위가 낮은 층에서 높은 층으로 올라가게 된다. 에너지 준위가 높은 층일수록 원자핵으로부터 멀리 떨어져 있는데, 전자가 에너지를 너무 많이 받게 되면, 원자핵으로부터 벗어나 자유로운 전자가 되게 된다.
그렇다면, 불꽃은 어떻게 빛과 열을 발산할까? 이를 위해 지금까지 빛의 생성원리에 대해 설명했는데, 전자가 에너지를 너무 많이 받게 되면, 원자핵으로부터 벗어나게 된다고 했다. 불이 붙게 될 때, 발화점 이상의 온도를 통해 에너지를 얻게 되면 전자는 돌아다니게 되며, 원자핵을 다시 만나게 되는데 이때 전자는 갖고 있던 에너지를 다시 방출하며 다양한 에너지의 빛과 열을 발산하게 된다. 이러한 과정을 탈 물질이 없어질 때까지 계속해서 반복하게 된다.
원자 내 전자가 높은 에너지 층에서 낮은 에너지 층으로 움직이게 될 때는 그 사이만큼의 에너지를 갖는 빛을 뿜어내게 되는데, 이는 원자 마다도 다르고, 각 층마다 도 다르다. 그래서 만약 어떤 원자가 빛을 뿜게 되면, 그 원자에 맞는 색의 빛만 비치게 되는데, 그 색들이 섞이면 어떤 다른 색의 빛처럼 보이게 된다. 다시 그 빛을 프리즘과 같은 도구로 분석하면 몇 개의 빛으로 이루어져 있는지 알 수 있게 된다. 그런데 불꽃의 경우에는 전자가 다양한 에너지를 갖고 있다가 어떤 층에 자리 잡게 되는데 이때 전자는 그만큼 다양한 에너지의 색의 빛들을 내뿜게 된다. 그래서 실제로 불꽃과 같은 주광 빛을 프리즘으로 분석하게 되면 위의 사진처럼 다양한 색이 들어있는 무지개를 볼 수가 있다.
불은 온도에 따라 색이 다르다?
불빛은 다양한 에너지의 빛의 조합이다. 그렇다면 불빛은 조합에 따라 색깔도 변하게 될까? 정답은 o이다. 위에서 붉은빛은 파장이 길고, 푸른빛은 파장이 짧다고 했다. 파장이 짧은 전자기파일수록 고에너지를 띄게 되는데, 다양한 빛의 조합인 불빛이 푸른빛을 띤다면, 그 말은 높은 에너지가 많이 섞여있다는 의미이다. 이와 같이 실제로 불의 색깔에 따라 온도도 달라짐을 알 수 있는데, 실제로 붉은색의 불같은 경우는 1000도, 노란빛은 1200도 푸른 불은 1700도의 온도에서 볼 수 있다.
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