오래된 물건의 연대를 조사하는 '방사성 탄소 연대 측정'이란 무엇인지 쉽게 해설

오래된 물건의 연대를 조사하는 '방사성 탄소 연대 측정'이란 무엇인지 쉽게 해설

흔히 화석이나 지층의 연대 조사에서 탄소연대 측정이라는 단어를 들오 본적이 있을 것이다.
따라서 뭔가 탄소를 조사하면 연령대를 알 수 있구나라고 막연히 이해하고 있을 것이다.
하지만 이것은 구체적으로 어떤 측정 방법일까?

◆ 방사성 탄소 연대 측정이란 무엇인가?

탄소로 연령대를 측정할 수 있다는 것은 대체 어떤 것인가?

탄소는 지구상에서 흔한 원소이기 때문에 여러 물질 중에 조금씩이나마 포함되어 있다.
식물은 광합성을 위해 이산화탄소가 필요하고 생물은 그 식물을 먹기 때문에 몸속에 탄소를 많이 들어간다.

이러한 탄소는 토양과 화석 등 모든 곳에 축적된다.
이 탄소는 똑같이 보이고 여러 종류가 존재한다.

그리고 종류에 따라 탄소의 수명이나 지구상에 존재하는 비율이 다른 것이다.
따라서 연대를 조사하고 싶은 물질의 시료(샘플)에 포함되는 수명이 짧은 탄소의 수를 조사함으로써 그것이 얼마나 시간이 경과한 물질인지 판단할 수 있다.

당연히 아주 오래된 물질이라면 수명이 짧은 탄소의 수는 적고, 최근의 것이라면 수명이 짧은 탄소도 많이 포함되어 있다는 것이다.

지금까지 쉽게 표현했는데, 이 수명이 짧은 탄소라고 한 것이 '탄소 14'이다.

탄소 14. 보라색으로 표시된 중성자의 수가 보통 탄소보다 많다. / 반감기를 거치면서 줄어드는 원소의 수를 나타내는 그래프

'탄소 14'는 탄소의 방사성 동위체로 불리며, 일반 탄소보다 원자핵 내의 중성자 수가 많다.
통상 탄소는 양성자 6개, 중성자 6개 등 총 12개의 입자로 원자핵이 구성되어 있는데 탄소 14는 양성자 6개, 중성자 8개 등 총 14개의 입자로 원자핵이 만들어진다.

그럼 중성자의 수가 많다는 것은 어떤 의미인 것일까?
원자의 화학적 성질은 원자핵 내에 있는 양성자의 수로 정해져 있다.

따라서 전하를 가지지 않는 입자인 중성자가 늘어나도 원자는 무거워질 뿐 화학적 성질이 변하지 않다.
평범하게 이산화탄소도 되고, 우리 몸에도 포섭되기도 한다.

그러나 무거운 원자는 불안정하기 때문에 방사성 붕괴를 일으켜 여분의 무게를 버림으로써 더욱 안정된 물질로 변화하려고 한다.
탄소 14에 포함된 여분의 중성자는 베타 붕괴라는 현상을 일으켜 전자나 중성자를 버림으로써 양성자로 변화하게 된다.

원자핵 내의 양성자 수가 늘어난다는 것은 그 원자가 다른 원자로 변화한다는 것을 의미한다.
탄소의 양성자는 6개인데, 이것이 7개가 되면 질소가 된다.
이렇게 탄소14는 질소14로 바뀌는 것이다.

즉 탄소 14는 죽는 것이 아니라 질소 14로 전환하는 것이다.
그리고 흥미로운 것은 이러한 원자의 변환은 어느 일정 기간에 반드시 정해진 확률로 발생한다는 것이다.

여기가 방사성 탄소 연대 측정법의 특징이 되는 부분이다.

◆ 지구상 희귀한 탄소 14의 잔량

방사성 붕괴는 양자 역학적 현상으로, 그 발생 원리는 확률에 지배되고 있다.
원자핵에는 개성이 없고 나이와 같은 개념도 존재하지 않기 때문에 같은 탄소14의 원자핵이 여러 개 있었을 때 이 중 어느 것이 언제 붕괴할지는 전혀 모른다.

그러나 반드시 어느 일정 기간 동안 붕괴하는 원자의 수는 확률로 정해져 있다.
위에서 수명이 짧다고 한, 나이가 없다는 것은 어떤 것일까? 라고 생각할수도 있지만, 탄소 14의 이른바 수명에 해당하는 것이 '반감기'라고 하는 것이다.

'반감기'란 어떤 불안정한 원소들(방사성 물질)에서 그 절반이 붕괴되어 다른 안정된 원자로 바뀔 때까지의 기간을 나타낸 것이다.

조금 이해하기 어려운 개념일수 있지만, 「반감기」라고 하는 용어는 원자력 발전의 뉴스 등에서 흔히 듣게 된다.

쉽게 생각해 아마 '반감기로 반토막 난다면 두 배의 기간이 아니게 되는 것이지? 그걸 말하는 거잖아'라고 생각했을 수도 있다.
그러나 반감기를 거쳐 남은 방사성 물질은 다음 반감기를 거쳐 반토막 날 뿐 전부가 붕괴되지는 않는다.

어떤 방사성 물질에 대해 말할 수 있는 것은 '이만큼의 시간이 지나면 붕괴될 확률이 50%'라는 것뿐이다.

그리고 탄소14의 반감기는 5730년이다.
그렇기 때문에 예를 들어 어떤 화석에 포함된 탄소 14의 양이 추정되는 농도의 4분의 1밖에 되지 않았다면 그것은 화석 안에 탄소 14가 포섭된 지 두 번의 반감기가 지났다고 판단할 수 있다.

즉 이 화석의 연대는(5730년*2=11460년) 이상 옛날 것으로 추정할 수 있다.

하지만 이런 방법으로 연령대를 특정하고 있다면 정확도에 대해 조금 의문을 갖게 될 수 있다.
확률이라라는 것, 정말 믿을 수 있는 거야? 라는 의문은 당연한 것일 수도 있다.

마지막으로 탄소14가 어떻게 발생하는 것인지, 그리고 이 측정의 정확도는 어떻게 이해해야 하는지에 대해서 설명해 보자.

◆ 탄소 14의 탄생과 탄소 방사 연대 측정의 정확도

탄소14는 지구상에서 매우 드문 원소이다.

탄소 14는 상층 대기 내에 포함된 질소 14가 우주선을 쬐어 변이함으로써 생기기도 한다.
지구 대기의 대부분은 질소이며, 그 거의 99%는 질소 14이다.

여기에 우주에서 쏟아지는 고에너지 입자(우주선)가 부딪힘으로써 원자핵 내 양성자가 중성자와 대체되고 질소14가 탄소14로 바뀌는 것이다.
탄소 14의 화학적 성질은 일반 탄소와 다르지 않기 때문에 산소와 결합되어 이산화탄소가 됨으로써 무거워져서 지상으로 내려온다.

그리고 탄소14는 식물이 광합성을 하기 위해 흡수되고 그 식물을 동물이 먹음으로써 생물 안에도 축적된다.

 

이렇게 탄소14는 식물이나 동물 속에 축적된다.
다만 탄소14가 생성되는 것은 매우 드문 현상이므로 그 수는 전체 탄소 중 약 1조분의 1%밖에 존재하지 않는다.

게다가 처음에 설명한 대로 탄소 14는 불안정한 물질이므로 최종적으로는 방사성 붕괴를 일으켜 결국 원래의 안정된 질소 14로 돌아가 버린다.
이러한 흐름을 거쳐 물질 중에 남은 약간의 탄소 14의 양을 검출하는 것이 방사능 탄소연대 측정이다.

따라서 연대측정의 정확도는 얼마만큼의 탄소 14를 제대로 검출할 수 있었는가 하는 부분에서 결정된다.
위에서 반감기가 탄소 14의 절반이 붕괴할 확률로 정해져 있다고 했는데, 이 반감기는 조사하는 원소의 수가 많을수록 랜덤성이 감소해 이론대로 변화하는 것을 알고 있다.

이 문제가 연대 측정의 정확도와 관련이 있는 것이다.
이러한 방법으로 탄소 연대 측정은 물질의 연대를 특정하고 있다.

이것은 같은 방사성 원소의 감소 모습을 나타낸 시뮬레이션이다.

위의 숫자가 경과한 시간으로 왼쪽은 4개 밖에 샘플이 되는 원자가 없는 상태, 오른쪽이 원자가 400개 포함되는 경우이다.

여기부터는 조사하는 원자의 수가 많을수록 전체적인 붕괴 비율의 랜덤성이 줄어들고 있음을 알 수 있다.

그래서 예를 들면 탄소 14를 1만 개 측정할 수 있으면 통계 오차는 약 80년, 10배인 10만 개라고 하면 약 25년이 되기도 한다고 합니다.

방사선이란 무엇인가? 반감기(Tsukuba Science)
http://www.tsukubascience.com/2011/04/%E6%94%BE%E5%B0%84%E7%B7%9A%E3%81%A8%E3%81%AF%E4%BD%95%E3%81%8B%EF%BC%9F-%E5%8D%8A%E6%B8%9B%E6%9C%9F/

방사성 탄소 연대 측정의 기본
http://www.butakabon.com/principle/14cdating

방사성 탄소 연대 측정과 구석기 연구(PDF)
http://palaeolithic.jp/nl/newsletter14.pdf