방사성탄소 연대측정이란?

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방사성 탄소를 이용한 연대 측정

 

  

오래된 화석이나 유물, 예술품 등의 나이를 측정하고, 수억 년 전 지질시대(地質時代)의 연대(年代)를 조사할 때는 방사성 탄소 연대 측정법(radiocarbon dating)을 사용한다.

 

유기물(有機物)이란 생물체의 몸을 구성하는 모든 종류의 화합물을 말한다. 유기물은 탄소동화작용에 의해 생겨나므로, 그 중심이 되는 성분은 탄소(炭素 carbon)이다. 즉 공기 중의 탄산가스(CO₂)를 구성하는 탄소는 탄수화물, 섬유소, 지방질, 단백질, 효소 등 모든 생물체의 기본 성분인 것이다.

 

자연계에 존재하는 99%의 탄소 원자는 핵에 6개의 양성자와 6개의 중성자를, 그리고 핵 둘레에 6개의 전자를 가지고 있다. 그래서 탄소의 원자량(상대원자질량)은 12이고, 화학식으로 C-12(또는 ¹²C)로 나타낸다. 그리고 나머지 1%는 핵에 중성자를 1개 더 가진 탄소 동위원소(同位元素)이며, C-13(¹³C)으로 나타낸다.

 

그런데 극히 일부(공기 중의 약 10억분의 1%)는 6개의 양성자와 8개의 중성자를 가진 동위원소이다. 이를 탄소-14(C-14, 또는 ¹⁴C) 동위원소라고 부른다. 매우 흥미롭게도 탄소-14는 방사성을 가지고 있어, 베타선을 방출한 후에 질소-14로 변한다. 그 때문에 탄소-14는 ‘방사성 탄소’(radiocarbon)라는 이름을 가지게 되었다.

 

 

자연계에 존재하는 방사성탄소를 처음 발견한(1940년) 사람은 캘리포니아 대학 방사선 연구소의 두 물리화학자 마튼 케이먼(Martin Kamen 1913-2002)과 샘 루벤(Sam Ruben 1913-1943)이었다.

 

자연계에 극소량 존재하는 C-14는 C-12와 함께 탄소동화작용에 참여하기 때문에, 유기물의 극히 일부분은 C-14를 포함하게 된다. C-14가 N-14로 변하는데 걸리는 반감기(半減期 half-life)는 약 5,730년이다. 즉 1,000개의 C-14 원자가 500개의 C-14 원자로 줄어드는데 걸리는 시간이다. 그리고 다시 그 절반인 250개의 C-14 원자로 감소하려면 추가로 5,730년(합계 11,460년)이 필요하다.

 

그러므로 어떤 생물체가 죽어 지하에 묻혀 화석이 된다면, 그날로부터 C-12의 양은 그대로 있지만, C-14는 방사성 붕괴가 시작되어 그 양이 차츰 줄어든다. 즉 오늘 죽은 어떤 나무에 포함된 C-14의 양이 1그램이라면, 반감기만큼의 세월이 지난 후에는 C-14의 양은 그 절반인 0.5그램으로 준다. 따라서 흐른 시간에 비례하여 C-12와 C-14의 존재 비율이 달라진다.

 

원자폭탄 개발계획에도 참여했던 미국의 물리화학자 윌러드 프랭크 리비(Willard Frank Libby 1908-1980)는 C-14의 이러한 성질을 이용하여, 고대의 유물이나 암석, 화석, 목재, 예술품 등의 연대를 매우 정밀하게 측정하는 방법을 처음으로 연구해냈다. 그는 뒤이어 삼중수소(tritium 삼중수소 참조)를 이용하여 물(와인 등)의 나이를 측정하는 방법도 발견했다. 이러한 업적으로 그는 1960년에 노벨 화학상을 받았다.

 

 

 

동굴에서 옛 벽화를 발견하면, 벽화를 그린 물감이나 유물에 포함된 탄소의 양을 분석하여 벽화가 그려진 연대를 측정할 수 있다.

 

 

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