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<스페셜> 지구는 젊은가! 아니면 노쇠한가?(中篇)
기사입력  2019/09/27 [15:15] 최종편집    소정현기자

 

방사성동위원소(radioactive isotope)는 동위원소들 중 불안정하여 방사선, 즉 알파 입자나 베타 입자(전자)나 감마선을 방출하며 계속 분해하여 안정한 원소로 변해가는 원소들을 말한다.   

 

노벨화학상 리비가 방사성원소 연대측정법개발

유기체 사멸후 탄소 14C만 감소하여 질소로 환원

 

이론의 검증실제 연대를 알고 있는 물체를 측정

최근 화산폭발 화산적, 곧 죽은 물개 무의미 수치

 

 

▲ 리비(Willard Libby)1950년대 초 방사성탄소(放射性炭素) 연대측정 방법을 발명했다     

 

 

20세기 중대한 발견 방사성 탄소 연대측정법

 

방사성 원소 연대 측정법으로 가장 많이 알려진 방사성 탄소 연대측정법은 20세기 중대한 발견 중 하나로 현 인류에 많은 영향을 미친 기술이라 할 수 있다. 지리학, 지질학, 물리학, 고고학, 대기 과학, 해양학, 의학 분야에 이르기까지 광범위하게 응용해 사용하고 있을 정도로 이 기술의 영향은 매우 크다.

 

방사성동위원소(radioactive isotope)는 동위원소들 중 불안정하여 방사선, 즉 알파 입자나 베타 입자(전자)나 감마선을 방출하며 계속 분해하여 안정한 원소로 변해가는 원소들을 말한다.

 

▲ 방사성 동위원소는 계속 분해되어 처음 양이 반으로 되는 기간을 반감기라 부른다   

 

또한 동위원소란 양자 수가 같아서 화학적 성질은 같지만, 중성자 수가 달라 마치 한 원자의 형제와 같은 원소들이라 할 수 있다. 예를 들면 가장 간단한 원소인 수소의 동위원소들의 경우는 양성자 한 개와 중성자가 한 개인 수소가 있고, 양성자 한 개와 중성자가 둘인 중수소가 있으며, 양성자 한 개와 중성자가 셋인 삼중수소가 있다.

 

방사성 동위원소는 계속 분해되어 처음 양이 반으로 되는 기간을 반감기라 부르는데, 이는 각 동위원소들이 현재 고유의 일정한 분해 속도를 가지고 있어 그 속도로부터 유추한 값이다. 이 분해 속도는 통상적인 압력, 온도, 화학적 처리 등 외부 환경에 상관없다고 알려져 왔지만, 이 결론에 반대되는 실험 결과들이 속속 보고된다.

 

▲ 우주방사선은 지구의 자기장에 의해 대부분 소멸되고, 매년 소량만 대기권에 유입된다. 이 에너지는 질소(nitrogen)를 방사성탄소(radioactive carbon) 14로 변환시킨다.

 

노벨화학상 받은 리비가 혁신적 개발

 

리비(Willard Frank Libby, 1908~1980)1950년대 초 방사성탄소연대측정(放射性炭素, radiocarbon) 방법을 발명했다. 그는 방사성탄소(C-14)의 붕괴원리를 발견하여 1960년 노벨화학상을 수상하였고, 이를 응용 개발한 연대측정법이 방사성탄소법이다.

 

일명 C14탄소연대측정법이란 불안정한 방사능 물질을 안정된 정상적인 물질로 변화시키는 핵의 자연붕괴를 이용해 대상 물질의 연대를 측정하는 방법이다. 2차 세계대전 기간 중 원자폭탄을 제조한 맨해튼계획에 참가했던 화학자 리비가 방사성원소에 대한 가설들을 발전시켜 C14탄소연대측정법을 개발한 것이다.

 

탄소 연대 측정법에 대해 자세히 알아본다. 태양으로부터의 우주의 방사선은 지구 대기권 내에 쉴 새 없이 쏟아지고 있다. 우주방사선은 지구의 자기장에 의해 대부분 소멸되고, 매년 소량만 대기권에 유입된다. 이 에너지는 질소(nitrogen)를 방사성탄소(radioactive carbon) 14로 변환시킨다.

 

양성자, 중성자, 중성미자 등 소립자를 구성하는 우주선은 대기의 원자핵을 분열시켜 여러 종류의 2차 입자를 만들어 내면 2차 생성 물질의 하나인 중성자가 대기의 질소와 핵반응을 일으켜 방사성탄소(C-14)와 양성자로 바뀌게 된다.

 

▲ 자연 상태에서는 12C, 13C, 14C의 세 종류의 탄소 동위원소가 존재하는데,그 중 대부분은 12C(98.89%) 13 C, 14C는 극소량이다. 

 

자연 상태에서는 12C, 13C, 14C의 세 종류의 탄소 동위원소가 존재하는데, 그 중 대부분은 12C(98.89%)13C, 14C는 극소량이다. 유기체가 살아 있을 때는 어떤 생명활동을 하더라도 변함없이 비율은 일정하다. 즉 생물이 탄소를 체내에 흡수해도 변하지 않는다.

 

지구 내 전체 이산화탄소 중 탄소12는 약 98.9%로 대부분을 차지하고, 탄소13이 나머지 1.1%를 차지한다. 그리고 전체 이산화탄소 중 1조분의 1 만이 방사성 탄소14라는 것,

 

C14의 반감기가 연대측정의 핵심

 

리비가 정리한 C14탄소연대측정법을 쉽게 설명하면 다음과 같다. 대기 중의 이산화탄소는 대부분 C12, C13이라는 탄소로 구성되어 있고, 그 외에 아주 미세한 양의 C14가 함유되어 있다. C14는 대기권 속에 들어오면 다른 동위원소와 같이 이산화탄소를 형성하게 되는데, 동물, 식물, 박테리아 등의 호흡이 중단되면 C14의 형성도 중단된다.

 

▲ 바로 죽은 물개가 1,300년으로  측정되었다.

동식물이 죽으면 신진대사 역시 멎게 된다. 다시 말해, 한 유기체가 죽으면 더 이상 대기 중의 이산화탄소를 흡수하지 못하기 때문에 그 유기체가 형성한 방사성 탄소인 C14의 생성도 중단된다.

 

그러나 C12C13은 비방사성이기 때문에 유기체가 죽어도 그대로 남아있게 된다. 그러나 C14는 정상적이고 안정된 질소로 돌아가기 위해 천천히 붕괴된다. 이 때문에 몸속에 존재하던 탄소-14는 이때부터 방사선을 내면서 파괴되어 그 양이 차츰 줄어들게 된다.

 

유기체가 죽은 뒤 시간이 지남에 따라 점점 감소하게 되므로 이 비율을 이용해 그 유기체가 언제 죽었는지 알아내는 것이다. 이렇게 줄어든 탄소량이 원래의 절반이 되는 동안 걸린 시간이 반감기(half-life)이다.

 

반감기는 총량에 상관없이 항상 일정하다. 방사성 동위원소의 온도, 외부 압력 등 물리, 화학적 상태에 무관하게 외부 환경에 전혀 영향을 받지 않고, 일정한 속도로 붕괴되는 것으로 통설로 알려져 있다.

 

▲ 살아있는 달팽이 껍질은 23,000년으로 측정되었다.

많은 실험 결과들은 탄소-14의 경우 반이 붕괴되는 데에 5,730년이 걸릴 것이라는 것을 나타냈다. 따라서 이 생물 속에 남아있는 탄소-14의 양을 측정함으로써 그 동식물이 죽고 나서 몇 년 정도 되었는지를 규명할 수 있게 되는 것이다.

 

처음 반감기가 지나면 다시 반의반으로 분해되는 반감기를 가지고, 반감기를 몇 번 거쳤는지를 계산해서 나온 값이 몇 천, 몇 만 년이다. 10번의 반감기를 거쳤다면 573백년이라는 시간이 나온다. 그러나 대략 5번의 반감기가 지난 이후에는, 어느 정도 정확성을 가지고 측정되기 힘들어진다. 현실적으로는 5만년까지만 측정 가능하다.

 

만약, 화석에서 방사성 탄소가 하나도 남아있지 않다면 이 화석의 나이가 5만년 이상의 것이라는 결론이 나오게 된다.

 

인류가 검증 가능한 연대기는 엉망

 

어떤 암석을 방사성 연대 측정 결과 수십억 년 전으로 연대가 나왔다고 하자. 우리는 이를 믿어야 할까. 사실 이 상황에서는 그 측정 결과를 검증할 방법이 없다. 우리가 그 시간대를 경험적으로 역사적으로 알고 있지 못하기 때문이다.

 

▲ 하와이 지구물리연구소는 킬라우에아 산의 화산석을 방사성 연대 측정한 결과 30억 년이라는 연대를 얻었다. 이 바위들은 1801년의 화산 폭발로 만들어진 것이었다.


방사성 동위원소 방법으로 수백만 년의 긴 나이를 측정하는 것이 실제로 가능한 방법인지를 알아보기 위해서는 나이를 알고 있는 시료를 측정해 보면 된다
. 그래서 가장 좋은 방법은 살아있는 물체나 실제 나이를 알고 있는 물체를 측정하는 것이다.

 

화산 폭발이 언제 일어났는지를 경험적으로, 역사적으로 알고 있는 화산의 경우라면 얘기가 달라진다. 그 화산의 암석에 대한 방사성 연대 측정의 결과는 우리가 가진 지식에 의해 검증이 될 수 있기 때문이다. 혹은 방금 죽은 생물의 사체 등을 실제로 측정해 보는 것도 가능하다.

 

리비(Williard F. Libby), 수에스와 엔텦(Suess &Antevs), 그리고 화이트로우(Whitelaw 1970) C-14 연구학자들의 실증연구는 반복적인 실험결과가 동일하게 나와야 하지만, 실측을 한 결과 오차가 매우 크다는 사실이 밝혀졌다.

 

살아있는 달팽이 껍질은 2,300년으로 나왔고, 바로 죽은 물개가 1,300, 30년 전에 죽은 물개는 4,600, 살아있는 나무껍질은 1만 년 전 것으로 실험치가 나와 연대측정법에 문제가 있음을 극명하게 말해주었다.

 

하와이 지구물리연구소는 킬라우에아 산의 화산석을 방사성 연대 측정한 결과 30억 년이라는 연대를 얻었다. 이 바위들은 1801년의 화산 폭발로 만들어진 것이었다.

 

1980년 분출 이후에 형성된 미국 세인트헬렌스 산에 있는 암석은 방사성 연대 측정 결과 35만 년에서 280만 년으로 연대가 나왔다.

 

1991년 남아프리카 총림지에서 락 페인팅(돌에 그린 그림)이 발견되었다. 옥스퍼드대학교에서 방사성 탄소 가속기를 이용해 측정한 결과 약 1200년 전의 것으로 판명되었다. 그러나 나중에 밝혀진 바로는 조앤 아렌스라는 여자가 공예 강습 시간에 만들어 정원에 두었다가 도난당한 물건이었다.

 

▲ 1980년 분출 이후에 형성된 미국 세인트헬렌스 산에 있는 암석은 방사성 연대 측정 결과 35만 년에서 280만 년으로 연대가 나왔다.    


 

나무 한 조각이 호주의 헉스베리 사암(Hawkesbury Sandstone)’층에서 화석화 되어 있다. 이 지층은 지질학자들에 의하면, 트라이아스기의 것으로 225백만 년에서 23천만 년 전의 것이다. 이 나무를 탄소-14방법으로 연대 측정하였다. 그들은 이것이 단지 현재로부터 33,720 +/- 430년 전 것이라고 결정했다.

 

왜 이런 결과가 나오는 것일까. 이런 상황에서 방사성 연대 측정법의 신뢰도는 과연 검증된 것이라 할 수 있을까. 위 사례의 경우도, 만일 측정 대상에 대한 역사적 지식이 없는 경우였다면, 꼼짝없이 방사성 연대 측정의 결과를 과학적 사실로 받아들여야만 했을 것이다.

 

방사성 연대 측정법은 측정 결과를 검증할 수 있는 역사적 근거가 있는 경우, 즉 고고학적 연대가 확실히 알려진 경우에만 그 신빙성의 진위 여부를 판가름할 수 있을 것이다.

 

▲ 나무 한 조각이 호주의 헉스베리 사암(Hawkesbury Sandstone)층에서 화석화 되어 있다. 이 지층은 지질학자들에 의하면,트라이아스기의 것으로 225백만 년에서 23천만 년 전의 것이다. 이 나무를 탄소-14방법으로 연대 측정하였다. 그들은 이것이 단지 현재로부터 33,720 +/- 430년 전 것이라고 결정했다   

 

기한 짧은 때만 나이테 측정보완기법

 

만약 암석의 연대가 알려져 있지 않다면, 방사성 동위원소 연대측정은 일관성 있는 결과를 나타낼 수 있을까? 이를 보완하는 것이 나이테 측정법이다. 나이테의 두께 및 간격 등을 분석하여 당대의 공기 농도 등을 측정함으로써 방사성 탄소 연대측정법이 탄소 농도 등의 문제로 교란될 가능성에 대한 보완 용도로 쓰이기도 한다.

 

나이테 측정법은 나이테의 개수를 통해 연대를 재는 방법으로, 1년 단위로 기록되는 나이테를 이용하여 정확한 편이지만 나무의 수명이 한정되어 있으므로 방사성연대측정법보다 시한이 상당히 짧다.

 

▲ 나이테 측정법은 나이테의 개수를 통해 연대를 재는 방법으로, 1년 단위로 기록되는 나이테를 이용하여 정확한 편이지만 나무의 수명이 한정되어 있으므로 방사성연대측정법보다 시한이 상당히 짧다.

 

온대 지방의 나무는 매년 나무껍질 안에 새로운 층을 만든다. 나이테의 간격과 밀도는 나이테가 형성되는 해의 환경 조건, 특히 기후를 잘 반영하고 있다. 성장에 좋은 조건일 때는 나이테의 간격이 넓고, 성장에 어려운 조건일 때는 간격이 좁다.

 

동일한 시기, 동일한 지역에서 자란 나무의 나이테는 형태가 유사하다. 나무의 나이테를 이용하여 연대를 측정하는 것을 연륜연대학(年輪年代學)’ 이라고 하는데, 가까운 과거에 발생하였던 산사태나 홍수 등이 발생한 시기 등을 아는 데 특히 유용하다.

 

 

 

 


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