밤의 축제나 콘서트장, 혹은 캠핑장에서 흔히 보는 형광봉은 전기가 없는데도 스스로 빛을 낸다. 손으로 한 번 꺾으면 막대 안에서 화려한 색이 번지고, 그 빛은 몇 시간 동안 사라지지 않는다. 단순한 장난감처럼 보이지만 그 속에는 정교한 화학 반응이 숨어 있다.
빛이 생기는 순간
형광봉은 반투명한 플라스틱 막대 안에 두 개의 액체가 들어 있다. 바깥쪽에는 산화디페닐옥살레이트(diphenyl oxalate)와 염료가 섞인 용액이, 안쪽의 유리관에는 과산화수소(hydrogen peroxide)가 담겨 있다. 평소에는 두 용액이 섞이지 않지만, 형광봉을 구부리면 유리관이 부서지면서 반응이 시작된다.
이때 과산화수소가 옥살레이트를 산화시키고, 아주 불안정한 중간체가 만들어진다. 이 물질은 곧바로 분해되며 이산화탄소 두 분자와 함께 에너지를 방출한다. 그 에너지는 열이 아니라 빛으로 변한다. 염료 분자가 이 에너지를 흡수해 들뜨고, 안정된 상태로 돌아오면서 가시광선을 내뿜는 것이다.
이 현상이 바로 화학발광(chemiluminescence)이다. 전기도 불꽃도 없이, 오직 화학 반응만으로 빛이 만들어진다.
색이 달라지는 이유
형광봉의 색은 염료의 종류에 따라 결정된다. 염료 분자는 각각 다른 에너지 준위를 가지고 있어, 들떴다 다시 떨어질 때 방출되는 빛의 파장이 달라진다.
에너지가 큰 염료는 짧은 파장의 푸른빛을 내고, 에너지가 작은 염료는 긴 파장의 붉은빛을 낸다. 같은 원리로 만들어진 형광봉이라도 염료가 바뀌면 전혀 다른 색으로 빛나는 이유가 여기에 있다.
열이 없는 불꽃
형광봉은 손에 쥐고 있어도 뜨겁지 않다. 일반적인 화학 반응은 에너지를 열의 형태로 방출하지만, 화학발광에서는 그 에너지가 전자 전이를 통해 곧바로 빛으로 바뀐다. 그래서 ‘열이 없는 불꽃’이라 불린다.
흥미로운 점은 온도에 따라 밝기와 지속 시간이 달라진다는 것이다. 따뜻한 곳에 두면 반응 속도가 빨라져 더 밝게 빛나지만, 수명은 짧아진다. 반대로 차가운 곳에서는 어둡지만 오래 지속된다. 화학 반응 속도가 온도에 따라 달라지는 전형적인 예다.
빛의 과학
형광봉은 단순한 물건이지만 그 안에서는 화학이 빛으로 바뀌는 과정이 자연스럽게 일어난다. 두 액체가 만나 반응하고, 그 결과가 눈에 보이는 빛으로 이어진다. 전기도 불도 아닌, 분자의 에너지가 직접 만들어내는 빛이다.
손에 쥔 형광봉이 밝게 빛날 때, 우리는 일상 속에서 화학의 질서를 보고 있는 셈이다. 아무렇지 않게 사용하는 물건 속에도 과학의 섬세한 작동이 깃들어 있다.