SEEPLORE원자폭탄은 왜 그렇게 셀까요? 화약은 불이 옮겨붙으며 타는 것이지만, 원자폭탄은 원자 한가운데의 아주 작은 덩어리가 쪼개지면서 힘이 나옵니다. 이 글에서는 그 덩어리가 처음 갈라지는 1억분의 1초부터 불덩이와 충격파가 지나가는 몇 초 뒤까지, 핵폭발을 일어나는 순서대로 따라가 봅니다. 숫자는 모두 1945년 히로시마와 같은 크기(15 kt)를 기준으로 계산한 개략값이에요.
우라늄 원자핵은 겨우 붙어 있다
연필심을 계속 확대하면 탄소 원자가 나오고, 원자 한가운데에는 원자핵이 있습니다. 원자핵은 더 작은 구슬이 뭉친 덩어리예요. + 전기를 띤 양성자와 전기가 없는 중성자죠. 우라늄-235의 원자핵은 양성자 92개와 중성자 143개, 모두 235개가 모여 있습니다.
구슬이 이렇게 많으면 문제가 생깁니다. 양성자끼리는 같은 + 전기라서 서로 밀어내요. 그래도 원자핵이 흩어지지 않는 건 맞닿을 만큼 가까운 구슬끼리 훨씬 센 힘으로 붙잡기 때문인데, 이 힘은 조금만 떨어져도 사라집니다. 찍찍이가 맞닿아야만 붙는 것과 비슷하죠. 그래서 큰 원자핵은 양쪽 끝의 구슬끼리 서로 붙잡지 못하고, 아슬아슬하게 붙어 있습니다.
중성자 하나가 들어가면 둘로 갈라진다
여기에 중성자 하나가 날아와 박힙니다. 중성자는 전기가 없어서 밀려나지 않고 쉽게 들어가요. 겨우 붙어 있던 원자핵은 물방울처럼 출렁이다 길쭉해지고, 가운데가 잘록해지더니 둘로 갈라집니다. 이것이 핵분열이에요. 화면에서는 바륨과 크립톤 두 조각으로 갈라지고, 중성자 3개가 튀어 나갑니다.
신기한 건 그다음입니다. 쪼개기 전과 뒤를 저울에 달면 구슬 수는 똑같이 236개인데, 쪼갠 뒤가 약 1,300분의 1만큼 가벼워요. 그 무게는 없어진 게 아니라 빛과 열로 바뀌었습니다. 아인슈타인의 E = mc²가 바로 이 이야기예요. 아주 작은 무게가 엄청난 에너지가 됩니다.
두 배씩 81번, 100만분의 1초
튀어 나온 중성자가 옆의 우라늄 원자핵을 맞히면, 그 원자핵도 쪼개지며 또 중성자가 나옵니다. 한 번에 두 배씩 늘면 10번 만에 약 1,000개, 20번 만에 약 100만 개예요. 종이를 반으로 계속 접으면 두께가 금세 엄청나지는 것과 같은 계산이죠.
한 번 이어지는 데는 1억분의 1초쯤 걸립니다. 히로시마 폭탄에서는 이게 약 81번 이어졌고, 에너지는 100만분의 1초도 안 되는 사이에 다 나왔어요. 이 늘어나는 과정을 연쇄 반응이라고 합니다.
1초 안의 불덩이, 3초 뒤의 충격파
연쇄 반응이 끝나는 순간, 쪼개진 조각들의 에너지가 둘레 공기를 수천만 도로 달굽니다. 이 눈부신 공기 덩어리가 불덩이예요. 불덩이는 1초쯤 사이에 지름 약 414 m까지 커집니다. 앞에서 사라진 무게를 모두 합쳐도 약 0.7 g, 1원짜리 동전 하나 무게인데 화약 1만 5천 톤과 같은 에너지가 나온 거죠.
불덩이의 빛은 소리보다 먼저 닿습니다. 맑은 날이면 약 1.9 km 안에서 그늘 없이 이 빛을 맞은 사람은 피부 깊이까지 데요. 그다음 불덩이가 밀어낸 공기가 압력의 벽, 충격파가 되어 퍼집니다. 약 3초 만에 1.2 km까지 가서 그 안의 집을 대부분 무너뜨리고, 약 8초 만에 3.0 km까지 가서 유리창을 깹니다.
그 뒤로 뜨거운 공기가 솟아올라 몇 분 만에 약 11 km 높이의 버섯구름이 되고, 구름 속 방사성 먼지(낙진)가 바람을 따라 떨어집니다. 이 거리들은 실험 기록으로 만든 공식으로 계산한 값이라, 날씨와 땅 모양에 따라 달라져요.
우리 동네라면 얼마나 될까
숫자만으로는 1.2 km가 얼마나인지 잘 와닿지 않습니다. 「원자에서 핵폭발로」의 마지막 장은 같은 계산을 부산 지도 위에 옮겨 놓았어요. 서면 근처 하늘 약 600 m에서 같은 크기가 터졌다고 가정하면, 피해 원이 구·군 경계 위에 그려집니다. 실제로 일어난 일이 아니라 공식으로 계산한 가상의 모습이고, 산이 충격파를 막는 효과나 대피는 계산하지 않았습니다.
같은 원자핵의 힘은 원자력 발전소에서 "하나가 하나만" 쪼개지게 다스려져 전기를 만들고, 병원에서는 암을 치료합니다. 빠르기만 다를 뿐 같은 힘이에요. 그래서 이 힘을 어디에 쓰느냐가 중요합니다. 1억분의 1초부터 버섯구름까지 시간 축을 직접 끌어 보고 싶다면 「원자에서 핵폭발로」를 열어 보세요. 아주 작은 것에서 큰 것까지 축 하나로 따라가는 방식이 마음에 든다면, 소행성부터 블랙홀까지 거리 순서로 늘어놓은 「위험한 우주」도 이어서 볼 만합니다.