연대측정이란 지층이나 화석, 지구의 나이, 고고학적 유물 혹은 유적의 생성연대 등을 측정하는 일을 말한다. 연대를 따질 때 무엇이 우선 생성 되었는지를 알아보는 것은 ‘상대연대’이고, 지금으로부터 얼마 전 인지를 알아내는 것은 ‘절대 연대’이다.
퇴적학이나 층서학에서 하위층이 상위층보다 더 오래된 층이라 보는 것은 바로 ‘상대연대’의 방법이다. 또 골격화석에서 매몰된 토양의 조건에 따라 화석이 함유할 수 있는 플루오르의 비율이 오래된 화석일수록 많은 것으로 연대를 알아보는 것 또한 ‘상대 연대’의 방법이다.
한 가지 주의 점은, ‘상대연대’의 경우 같은 조건하에 화석이 생성 되었다는 가정이 있어야만 적용할 수 있다. 이것은 우리가 연대를 알아낸 결과 값에 여러 가지 부수적인 조건이 작용할 수 있기 때문이다. 그러므로 연대 측정시에 직접이든 간접이든 거의 확실한 원리에 근거하여 절대연대를 측정해야 한다.
기존의 방법 : 나무의 나이테 이용, 호수 퇴적층, 빙하의 발달과 관련된 태양복사량을 변화시키는 천문현상에 주목.
최근의 방법 : 방사성원소(放射性元素)의 붕괴를 이용. ex) 방사성탄소(
14C)연대측정법
K-Ar법
Rb-Sr법
피션트랙(fission track)법 등..
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원자핵으로부터 방사선을 방출하고 붕괴하는 원소를 ‘방사성 원소’ 라 하는데, 이 방사성 원소가 일으키는 방사성 붕괴는 온도나 압력 등의 조건에 관계없이 규칙적으로 일어난다.
그렇기 때문에 앞서 설명한 상대 연대측정으로 알아낼 수 있었던 지층의 상하 순서를 판정하는 것보다 훨씬 정확한 값을 얻을 수 있다.
방사성붕괴 ( radioactive decay )원자핵이 자발적으로 어떤 종류의 입자 또는 방사선을 방출하고 다른 원자핵으로 전환하는 과정을 말한다. 주로 원자핵에 관해 설명되는데 방사성 붕괴는 크게 세 가지 유형으로 나눌 수 있다.
방사성 핵종(核種:또는 원소) : 방사성 붕괴를 하는 원자핵(또는 원자)
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붕괴 형식 |
특징 |
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알파붕괴
(Alpha Decay) |
α입자의 본성 = 헬륨 핵
방사성핵종의 핵으로부터 질량수 4, 원자번호 2인 헬륨 핵이 방출되는 과정을 알파붕괴라 한다.
알파입자의 에너지는 핵종마다 고유한 에너지를 지닌다.
중성자가 양성자보다 상대적으로 많은 원소 즉! 우라늄, 토륨, 라듐과 같은 무거운 원소에서 발생한다.
알파붕괴로 생성된 딸핵종(222-Rn)은 모핵종(226-Ra) 보다 질량수는 4만큼, 원자번호는 2만큼 작은 특성을 보인다.
전하 : +2e , 질량 : 4.002603
공기 및 물질과 쉽게 반응, 많은 전리를 일으킴.
=> 공기 중에서 수 cm 진행.
종이, 피부, 옷으로도 차폐. |
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베타붕괴
(Beta Decay) |
<베타(-) 붕괴>
중성자가 양성자로 변환=> (-)전하를 띤 전자,
반중성미자(antineutrino)를 방출.
주기율표상에서 안정된 원소의 아래쪽에 위치한다.
생성된 딸핵종은 모핵종보다 원자번호가 1만큼 증가하고 질량수의 변화는 없다.
<베타(+) 붕괴>
양성자가 중성자로 변환 => (+)전하를 띈 전자,
중성미자(neutrino)를 방출.
주기율표상에서 안정된 원소의 위쪽에 위치한다.
생성된 딸핵종은 모핵종보다 원자번호가 1만큼 감소하 고 질량수의 변화는 없다.
전하 : -1e , 질량 : 0.000548
공기 중에 수 m 진행. |
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감마천이
(Gamma Transition) |
감마선을 방출
알파, 베타붕괴를 겪는 대부분의 방사성원소는 붕괴를 한 후에도 여전히 들뜬상태(meta stable state)에 있다.
이런 상태에 있는 원소는 선이라는 에너지를 지닌 전자파를 방출하는 천이(transition)과정을 통해 바닥상태로 가게 된다.
이때 방출되는 감마선의 에너지는 핵종마다 각기 다르다.
속성 : 광자
질량 : 0
전하 : 0
감마선이 물질 내에서 에너지를 잃는 과정은 매우 느리게 진행 된다. 그러므로 모든 에너지를 물질에 부여하기까지 상당한 거리를 투과할 수 있다.
=> 공기 중에서 수 m에서 수백 m진행.
물질에서 1 cm 진행.
차폐재로는 콘크리트, 철, 납. |
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탄소 동위원소는
9C,
10C,
11C,
12C,
13C,
14C,
15C,
16C 가 있다.
대부분의 탄소는
12C 로 존재하고 이는 안정된 동위원소이지만,(
13C 도 안정하다) 그 밖의 것은 불안정하며 미량으로 존재하고
11C,
14C 은 추적자로 사용된다.
특히
14C 는 반감기 5750년의 β선을 방사 한다.
14C는 우주선입자(cosmic ray)가 대기 중의 질소와 충돌해 만들어 진다.
발생된
14C는 살아있는 동식물에 음식과 호흡을 통하여 들어가게 되는데, 이들이 죽게 되면
14C가 들어갈 수 있는 경로가 폐쇄되기 때문에 체내의
14C는
14N로 붕괴 된다. 시간이 흐르면서
14N은 기체이므로 날아가게 되고 남아있는
14C의 양으로 연대를 측정하는 것이다.
즉 14C의 양이 체내에 적게 남아 있을수록 오래된 것이다.
이런 탄소 동위원소법을 자세히 알아보면 친핵종의 원자수는 외계와의 격리로 인해 일정하게 유지되며, 붕괴상수는 어떤 핵종에 대하여 일정한 상수 값을 가진다. 그러므로 친핵종이 붕괴를 하여 딸핵종의 원자수가 되므로 현재의 딸핵종의 원자수를 구할 수 있으면 수식 상으로 시간을 구할 수 있다.
N = 친핵종의 원자수
N0 = 딸핵종의 원자수
λ = 붕괴상수
t = 시간
탄소동위원소 측정법은 미국의 물리학자로 윌러드 F. 리비(Willard Frank Libby)가 개발한 방법으로 1960년에 노벨 물리학상을 수상했다. 이 측정법으로 이전의 원시적인 방법들에서 벗어나 정확한 연대를 밝혀낼 수 있게 되었으며 나무, 석탄, 천, 뼈, 조개껍질, 동식물의 조직 등 일단 한 번 살아 있었던 물질이라면 무엇이든 측정가능하고, 그리 오랜 역사를 자랑하지는 않으나 다양한 분야에서 활용되어 오고 있다. 이와 같은 방법은 발달한 핵물리학, 우주학, 고고학과 인류학, 지질학에도 이용될 수 있다는 것을 단적으로 보여주고 있다.
불안정한 동위원소인 14C가 약5,700년 후면 질소로 변하는 것을 이용하여 그 연령을 측정하는 용도는 다양하다.
탄소동위원소 측정법은 3만~4만 년 정도까지 절대 연령을 측정 할 수 있고,주로 고고학에서 많이 활용되고 있다. 물론 뼈, 탄산염암, 나무, 석탄, 토양,토탄, 암석, 이끼 등 탄소를 가지고 있는 모든 물질은 14C 연대 측정에 쓰일수 있는 것이다.
지질학, 고고학, 문화인류학 등의 주요한 자료로 사용오래된 예술품, 고고학적 가치가 있는 유물들의 연대 측정에 이용한다. 아주 소량의 시료도로 측정이 가능한데, 1g 미만의 뼈, 나무 조각, 가죽, 섬유, 조개껍질 등에 함유되어 있는 탄소를 추출하여 그 동위원소 비를 이용하여 생성시기를 산출할 수 있다.
* 고대 유물의 연대측정14C는 소량으로 존재하는 방사능물질이다.
모든 동식물들이 이를 흡수하고 동식물이 죽으면 이 탄소는 다른 모든 방사능 물질과 같이 규칙적으로 붕괴 한다는 것은 앞서 설명했다. 유기체 내에 존재하는
14C는 5730년이 지나면 절반으로 감소하며, 다시 5730년이 지나면 그 나머지 중 절반이 감소한다.
일반적으로 동물과 식물은 살아있는 동안 공기로부터 이산화탄소를 흡수 하는데, 수억 개의 일반 탄소
12C 중에서 하나의 방사성 탄소
14C를 얻게 된다.따라서 그 동식물이 죽으면
12C는 그대로 있지만
14C는 붕괴하기 시작한다.
14C의 붕괴는 외부 요인의 영향을 받지 않고, 그 속도가 알려져 있으므로, 탄소 원자의 총수와
12C 대
14C의 비율을 비교하여 유물의 연대를 계산할 수 있다.
- 토리노성당의 수의 -
1988년 가속질량 분석기를 사용하여 토리노 성당의 수의(壽衣)의 연대 측정을 했었다. 토리노 수의는 이탈리아 토리노 성당에 보관된 유물로서 그리스도가 처형을 당한 뒤 그를 싼 수의로 여겨지고 있었다.
과학자들은 토리노의 수의가 진정한 예수의 수의로 인정받으려면 수의의 제조연대가 예수 시대임을 증명해야 한다고 지적했고, 이것을 밝히기 위해서 탄소연대측정을 꼭 거쳐야 했다.
1988년 4월 21일 바티칸은 지오바니 바티스타 성당에 보관되어 있는 '토리노의 수의'를 우표 크기만큼 자른 조각을 미국 아리조나의 터슨 대학, 영국의 옥스퍼드 대학, 스위스의 취리히 폴리테크닉 대학의 실험실에 전달하도록 허가했다. 각국은 독자적으로 방사성탄소연대측정을 했다.
조사 결과, 모든 측정의 결과가 서기 1260년부터 1390년 사이의 연대를 나타내 이 수의가 중세 때의 것이며, 그리스도의 것이 아님을 증명되었다.
* 꽃가루 이용 연대측정
나무는 해마다 많은 양의 꽃가루를 대기 속에 방출한다. 이렇게 방출된 꽃가루는 대부분은 땅에 떨어져 산소를 함유하고 있는 흙속에서 썩지만, 일부는 호수나 늪에 떨어져 보존된다. 이는 퇴적물과 호수 바닥의 침전물에는 산소가 없기 때문이다. 그래서 어떤 꽃가루 알갱이는 수천 년 동안 보존되고 화석이 되기도 한다. 그리고 그 위로 새로운 침전물이 형성될 때, 당시에 살던 식물의 꽃가루가 그 안에 들어가게 된다.
이런 꽃가루 화석이 있었던 주위의 퇴적층을 채취해 방사성탄소연대측정법으로 분석하면 그 식물이 서식했던 연대도 정확히 알아낼 수 있다.
* 대기와 해수의 연구방사성 동위원소의 해수 내에서 성분비 변화를 조사하여 해수 순환 연구에 이용한다. 혹은 해수와 인접한 대기와의 호 관계를 연구하기도 한다. 또, 대기 중의 가스 등의 혼합을 이해 시에 주요한 추적자로서 사용된다. 일산화탄소, 이산화탄소, 메탄가스등이 지구 온난화에 미치는 영향 조사에 이용되기도 한다.
* 생활 속의 과학순수한 벌꿀인지 아닌지를 가려내는 방법으로 탄소동위원소 분석법을 한다. 순수한 벌꿀인 경우는
12C가 높고 설탕의 원료인 사탕수수나 물엿에는
13C가 상대적으로 높은 특성이 있다. 그러므로 탄소 동위원소 분석을 통해
13C의 수치를 측정하고, 설탕의 혼합여부를 알아낸다.
질량분석 이온빔 가속기 (탄뎀 4130 가속기) * 물리학, 지질학, 대기과학, 고고학, 문화인류학, 해양학, 생물학, 환경공학, 반도체 공학, 물성재료공학 등에 사용된다.
그러나 현재 국내 1대 (서울대) 보유중 이라서 여러 분야의 학문연구에 어려움이 따른다.
탄소 연대 측정을 할 때 가속질량분석 (accelerator mass spectrometry, 이하 AMS) 기술을 사용하여 연대를 측정한다. AMS는 시료(samples)의 원자를 이온화시켜 가속시키고 에너지와 운동량 그리고 전하 상태를 분석하여 최종 얻고자 하는 원자핵의 동위원소 (ex)방사성탄소
14C의 수 )를 정확 하게 측정하는 분광분석 기술이다.
이전의
14C탄소연대측정법은 중요한 유물들의 연대를 측정할 수 있는 매우유효한 방법이지만 1회 측정에 수 그램의 탄소 시료를 요구한다는 점이 단점이었다.
하지만 AMS는
14C를 포함한 여러 동위원소들을 아토몰(amol) 수준으로 정량 해준다. 이때, 아토몰(amol)이란 나노몰의 나모몰(nmol) 수준으로 아주 극미량을 말한다. 즉, 불과 0.001그램의 탄소 시료로도 정확한 연대측정을 할 수 있어서 귀중한 문화재로부터 떼어 내야 하는 양이 이전까지의 약1000분의 1로도 가능하게 된 것이다.
생물이 죽은 후 방사성탄소의 붕괴는 음식물의 섭취를 할 수 없어 더 이상 균형을 이룰 수 없다. 그래서 동물조직 내의 방사성탄소는 반감기에 따라 꾸준히 감소하게 된다. 여기서 문제는 시작된다. 반감기를 통해 생물이 죽은 시점을 알 수 있다는 것은 앞서 설명했다. 단 처음의
14C의 양을 알고 있어야 하는데 그렇지 못한것이 문제가 되는 것이다. 이런 점을 보정하기 위해 안정동위원소인
12C를 이용하는데, 처음의
12C와
14C가 오늘날과 같은 비율이라는 가정 하에 계산을 하는 것이다.
그런데 문제는 과연 생물이 죽은 시점에 대기 중의 비율이 현재와 다르다면우리가 측정해낸 연대도 틀린 값이 된다는 것에 있다. 그렇다면 과거 대기 중의
12C와
14C비율이 현재와 다를 경우는 어떤 경우인가? 그리고 어느 정도의 차이가 있었는지가 중요하다.
- 우주선(cosmic ray) 강도 차이
14C는 우주선(cosmic ray)의해 발생되는데, 이 우주선의 강도가 현재와는 다르다는 것이다. 현재 지구에 오는 방사능은 자기장에 의해 차단된다. 과거에는 지금보다 자기장이 훨씬 컸다는 결과를 얻게 되었고, 이는 지구에 방사능이 도달하기가 훨씬 어려웠었다는 것을 나타낸다. 14C가 발생할 수 있는 양도 지금 보다 훨씬 적었음에 틀림없다는 것이다. 그러므로 이런 경우라면 처음의 14C의 양을 아는 것은 불가능하다.
- 붕괴 속도의 불확실
반감기(붕괴속도)가 항상 일정하다는 가정 하에 계산이 가능하다. 이 반감기에 영향을 미치는 외부적 요인은 충분히 많다. 예로 전기력에 의해서 이들 붕괴속도가 바뀌는 것은 이미 실험적으로 관찰되었고, 생물이 죽은 후 14C나 12C가 유입되거나 나간 적이 전혀 없다는 가정이 꼭 필요하지만 물에 의해서도 14C나 12C가 차별적으로 씻겨나간다는 실험결과가 이미 있다. 또 실제로 연대측정을 해서 불일치하는 예들은 쉽게 접할 수 있고, 기존의 알고 있던 나이와 비교하여 전혀 다른 연대를 보여주는 경우도 많다.
- 대기 중 14C 대 12C의 비율차이
전 세계적인 홍수는 이전의 숲들을 엎거나 묻어 버렸을 것이다. 이는 생물과 대기 사이의 순환에서 식물의 부패로 이용할 수 있는 탄소가 줄어들었다는 것을 의미한다. 대기에서 우주선과의 충돌로 지속적인 14C는 생성되지만 이를 희석하기에 12C의 양이 턱없이 부족했다면, 대기 중의 14C나 12C의 비율은 증가했을 것이다. 그리고 이 비율이 보이는 차이 정도에 따라 방사성탄소 연대측정으로 얻는 나이는 실제 나이보다 더 많게 측정될 것이다.
반대로 홍수로 인해 대기권과 대양에 14C 가 희석될 수 있었다면 결과는 달라 진다. 홍수 이전의 지하수는 엄청난 압력 하에 있다가, 지구 표면으로 분출 되면서, 압력이 감소되어 용해되어있던 이산화탄소(CO2)가 대기권으로 쏟아져 나왔을 것이다. 분출된 CO2는 대기 중의 14C를 희석 시킨다.
14C는 지하공간에서 형성될 수 없다. 왜냐하면 지하는 우주방사선이 닿을 수없기 때문이다. 만약 14C 대 12C의 비율이 항상 오늘날의 것과 같았었다고 생각한다면, 희석되어 감소된 14C는 많은 시간이 지나간 것으로 잘못 결론 내려질 수도 있다. 즉, 오랜 시간이 흐른 것이 아니라, 생물체가 죽을 때 적은 양의 14C 이 있었던 것을 무시한 셈이 된다.그러나 3,500 년 이내에는 그 비율의 증가가 극도로 적었고 방사성탄소 연대 측정은 비교적 정확하다 할 수 있다.
이처럼 14C 탄소연대측정법으로도 연대 측정에 다소 오차가 생기기 마련이다. 모든 실험이 그렇겠지만, 시료에 오염물질이 포함되어 있을 경우 더욱 더 오차가 커질 수 있다. 그래서 14C 탄소연대측정법을 보완하는 방법으로 나무의 나이테를 세어보는 것을 부가적으로 하고 있다. 사실 정밀도 측면에서만 본다면 나무의 나이테의 변화를 보고 연대를 측정하는 것을 따를 수 없다고 말 할 수도 있다.
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<저자>
⊙ 부경대학교 최정윤
<참고문헌>
⊙ princliples and applications of Inorganic geochemistry
⊙ 한국창조과학회(www.kacr.or.kr)
⊙ 물리의 이해(http://physica.gsnu.ac.kr)
⊙ 서강대학교(www.sogang.ac.kr)
⊙ 서울대학교 가속기 질량 분석 연구실(http://ams.snu.ac.kr) |
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<검수위원 : 한국전력기술주식회사 김일곤 박사>
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