중학교인가 고교 과학시간에 배우는 기초법칙중 하나가 질량보존의법칙이다. 서로 다른 물질이 어떤 형태의 반응을 하더라도 최종 질량은 변함이 없다는 내용이다. 과학에서 '법칙'이라 하면 영원불변이 아니면 안된다. 그러나 아인슈타인의 상대성이론(E=mc^2)은 질량보존의법칙을 깨고 만다. 에너지는 질량×광속의제곱에 비례한다는 이론으로, 여기에서 광속'c'는 값이 정해져 있는 상수이다. 이론상으로 에너지는 질량에 의해 변화할 수 있고, 반대로 에너지를 이용하여 질량을 생성 할 수도 있다. 하나의 무거운 원소가 쪼개지면서 보다 가벼운 원소 두개로 전환되는 과정이 핵분열, 반대로 가벼운 원소가 결합하며 무거운 하나의 원소가 만들어지는 과정이 핵융합이다. 그런데 여기서 반응하는 대상물과 발생물간에 질량차이가 나게되는 경우가 있다. 질량보존법칙이 깨진것일까? 상대성 이론에 의하면 질량차이가 에너지의 변화로 이어진것이다. 이 이론은 유감스럽게도 '핵폭탄'이라는 극한의 방법으로 처음 증명되고 말았다. 아인슈타인이 상대성 이론을 발표하자 많은 과학자들이 엄청난 에너지인 원자력을 찾기위해 가능한 모든 원소의 원자를 연구하기 시작했다. 도대체 어떤 물질의 원자핵에 그처럼 막대한 에너지가 숨겨져 있을까? 16세기 독일의 백작 폰 슐릭은 자신의 영지인 요아킴스탈에 많은 광물질이 매장되어 있다는 사실을 알게 되었다. 그 중에는 질이 좋은 은(銀)도 대량 포함되어 있었다. 그는 이 곳에서 은을 캐내 은화를 만들었고 이를 이 지역의 이름을 따서 '요아킴스탈러'라고 불렀다. 후에 요아킴스탈러는 그냥 간단히 '탈러'로 불렸으며, 영국에서는 이를 '달러'라고 발음하였다. 오늘날 세계적으로 통용되는 달러 화폐의 원조가 된 셈이다. ... 다시 얘기를 정상으로 돌려서... 요아킴스탈 지역에는 은 외에도 다른 여러 광물이 풍부했다. 베를린대학 클라프로트 교수는 1789년 이 곳에서 회색의 금속물질을 추출해냈다. 사람들은 이 금속을 1781년 영국의 천문학자 허셀이 발견한 '우라누스(천왕성)'라는 새 행성의 이름을 따서 '우라늄'이라고 불렀다. 우라늄의 원자핵 속에는 아인슈타인이 예측한 막대한 에너지가 들어있었다. 원폭이 히로시마에 떨어지기 6년 전인 1939년 8월2일, 독일의 과학자들이 우라늄 원자를 쪼개는 연구를 하고 있다는 사실을 알아챈 아인슈타인은 당시의 미국 대통령이었던 루즈벨트에게 편지를 보낸다. "우라늄의 연쇄 반응을 이용하면 막대한 에너지를 얻을 수 있으며, 이를 폭탄으로 만들면 도시 하나 정도는 한 번에 모두 날려 버릴 수 있다. 나찌 독일이 이러한 폭탄을 먼저 개발할 우려가 있으니 미국 정부 차원에서의 빠른 대처를 요구한다."는 내용이었다. 루즈벨트 대통령은 이를 즉각 수용해서 국가 차원으로 원자 폭탄 개발에 나서게 되는데, 이것이 잘 알려진 '맨하탄 프로젝트(Manhattan Project)'이다. (아인슈타인은 보안상 위험인물로 간주되어 맨하탄 프로젝트에는 참여하지 않도록 했다.) 1945년 7월 16일 미국은 뉴멕시코주 알라모고도(Alamogordo) 서북쪽 60마일 되는곳에서 인류 최초의 핵폭발실험이 실시됐다. 삼위일체를 뜻하는 '트리니티'라 명명된 실험용 폭탄은 약 18.6kt(다이나마이트 18600kg양과 맞먹는)위력의 폭발을 보였고, 반경 730미터 내의 모래는 모두 녹아 유리알 형태가 될 정도의 엄청난 에너지였다. 실험은 성공이었다. 사실 맨하탄 프로젝트는 독일을 견제하고 유럽전선에 핵무기를 투입할 계획이었으나 개발이 지연되는 과정에서 독일이 먼저 패망하고 만다. 일본도 이 시점에선 이미 패색이 짙었기에 더이상 핵무기는 사실상 필요가 없어진것이다. 하지만 미국 정부의 생각은 달랐다.
[참고자료] =-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=- Mark 1 / Little Boy ▼ 히로시마에 떨어진것과 같은것. 지름 : 71cm 길이 : 320cm 무게 : 4.5t 간단한 구조의 포신형(gun barell type) 기폭장치를 한 고농축 우라늄 핵탄폭탄. 기폭장치가 단순하다는점 말고는 장점이 없음. 두개의 덩어리를 순간적으로 합쳐 임계질량(critical mass- -연쇄반응이 쉽게 일어날 수 있는 최소질량)에 이르게 해서 연쇄반응을 일으키는 구조. 원료의 1%만 반응하던 10% 이상이 반응하던 실패의 가능성이 적었으므로 실험 없이 곧바로 투하. 측정된 위력은 15kt(TNT 15,000kg 분량의 폭발력)으로 실제 가용한 핵원료의 3%만 반응했다. MARK 3 / FAT MAN ▼ 나가사끼에 투하된것과 같은것. 지름 : 152cm 길이 : 325cm 무게 : 4.5t 이것은 내폭형(implusion type)이며 고성능 기폭장치 32개 이상이 방사상으로 배열되서 백만분의 일초의 타이밍으로 동시에 폭발, 중심의 플루토늄239를 고압으로 순간 압축시켜 원료를 연쇄반응이 가능한 밀도까지 높여주어 반응을 일으킴. 이런 원리로 작동되는 구조이므로 거의 구형에 가까운 형태이며, 폭발효율이 훨신 높지만 기폭장치를 설계하기 위해서는 수많은 실험을 통해 이상적인 모델을 만들어야 함. 구조가 복잡하고 실패 확율이 높았기에 처음에 두개를 만들어 그 중 하나를 '인류 최초의 핵실험'을 위해 사용했음. 다른 하나가 일본에 투하됨. (이 후 같은것을 4개 더 만들었으나 사용하지 않았다.) 나가사끼에 투하된 폭탄의 측정된 위력은 21kt (TNT 21,000kg 분량의 폭발력)으로 가용한 핵원료의 20%가 반응했다. '삼위일체'란 뜻의 'Trinity'라 명명된 첫번째 핵실험용 폭탄. FAT MAN의 원형이다.▼
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