창조론자들이 말하는 지구의 나이는 6000년 정도입니다. 17세기 말, 지구의 나이를 처음 측정한 당시 발표된 지구의 나이는 75000살, 현대 과학이 말하는 나이인 45억 년과는 60000배가 넘는 큰 차이를 보이는 작은 값입니다. 불과 3세기 동안 이렇게 큰 인식의 변화를 가져올 수 있는 것, 그것이 바로 연대측정법입니다.
연대측정법은 먼 과거뿐 아니라 선조들의 역사, 유물 등을 바라볼 때 역시 사용됩니다. 또한 연대측정법은 역사학, 물리학, 화학, 생물학 등을 널리 어우르는 체계적인 분야입니다. 지금부터 이 흥미로운 분야를 소개하도록 하겠습니다.
#_방사성 탄소 연대측정법
1946년, 미국 시카고 대학의 윌러드 프랭크 리비 교수는 새로운 연대측정방법을 개발합니다. 그리고 1951년, 자신이 개발한 방법으로 쿰란 동굴의 두루마리의 제작 연도를 알아냅니다. 그는 이 연대측정법이 우리가 가장 흔히 알고 있는 연대측정법, 방사성 탄소를 이용한 연대측정법입니다. 그는 이를 발견한 공로로 1960년 노벨 화학상을 수상하게 됩니다.
대기 중의 이산화탄소가 포함하는 세 가지 종류의 탄소, C-12(98.9%), C-13(1.1%), C-14(1/10^13)의 비율은 항상 일정합니다. 살아 있는 모든 유기체는 광합성, 호흡 또는 먹이사슬을 통해 이산화탄소를 흡수하므로 그들이 가진 세 가지 유형의 탄소 비율 역시 항상 일정하게 됩니다. 이 비율은 생물체가 죽는 순간부터 깨지기 시작합니다. 비방사성인 C-12와 C-13은 그대로지만, 방사성 탄소인 C-14는 일정한 속도로 붕괴되기 때문입니다. C-14의 반감기는 5730년입니다. C-14가 붕괴되는 속도는 항상 일정하므로, 유기체의 유물에 남아 있는 C-14 대 C-12, C-13의 비율을 정확히 측정하면 그 유기체가 언제 죽었는지 알 수 있게 됩니다.
C-14탄소 연대측정법은 책이나 석탄, 천, 뼈, 조개껍질 등 다른 형태로 변환되었더라도, 일단 한 번 살아 있었던 물질이라면 무엇이든 그 연대를 정확히 측정할 수 있습니다. 대표적으로 유럽의 빙하기, 이집트인들의 무덤 제작시기가 이를 통해 발견되었습니다. 하지만 과거, 이 연대측정법에는 단점이 있었습니다. 많은 기간이 지난 후 C-14의 수치가 지나치게 낮아져 측정이 어려울 뿐만 아니라, 수 그램의 탄소 시료가 필요한데, 유물에서 이 정도는 적지 않은 가치를 가지고 있습니다. 이들은 탄소 원자들을 이온화시킨 후 가속시키는 가속기질량분석기가 개발되면서 해결되었습니다. 매우 적은 양으로도 6만 년까지의 정확한 제작 연도를 알 수 있게 되었고, 따라서 유물의 제작 연도를 정확히 조사할 수 있게 되었습니다.
#_루미네선스: TL과 OSL
두 번째 주제는 루미네선스를 이용한 연대측정법입니다. 루미네선스는 형광, 야광과 같이 열을 동반하지 않으면서 내는 발광현상을 통틀어 말하는 단어입니다. 그렇다면 루미네선스로 어떻게 발생연도를 측정할까요?
루미네선스 연대측정법은 무기광물이 마지막으로 빛 또는 열에 노출된 이후로의 시간을 측정하는 방법입니다. 이는 가전자대의 하전입자들이 발광중심에서 정공과 재결합 과정을 거치는 것을 원리로 합니다.
이는 두 가지 방법으로 나뉘는데, 열 루미네선스(TL)는 광 여기 루미네선스(OSL)에 비해 빛에 의해 발생하는 블리칭 과정이 천천히 일어나 기존 신호가 충분히 제거되지 않을 수 있고, 이 경우 실제보다 큰 값을 얻게 됩니다. 루미네선스 연대측정법은 연대 측정 가능 범위가 수십년에서 수십만년에 이릅니다. 이 값은 앞서 설명한 탄소동위원소 연대측정법의 측정 가능 범위를 넘기 때문에 루미네선스 연대측정법은 과거 연대측정이 힘들었던 해안단구의 형성 연대, 구석기 퇴적층의 연대 확인 등에 이용되었습니다.
#_동위원소 연대측정법
동위원소 연대측정법은 여러 가지가 있습니다. 위에서 우리는 이의 대표적인 예인 위에서 설명한 방사성 탄소 연대측정법을 설명하였습니다. 이를 따로 정리한 이유는 동위원소 연대측정법을 모두 정리하면 문서 하나를 새로 작성할 수 있을 정도로 많은 종류을 가지고 있기 때문입니다. 하지만 다른 동위원소를 이용한 측정법도 무시할 수 없는 만큼 방사성 탄소 연대측정법을 포함한 동위원소 연대측정법의 전체적 특징에 대하여 간단하게 짚고 넘어가겠습니다.
동위원소 연대측정법은 두 가지의 방사성 원소를 기본으로 하고 있습니다. 불안정한 방사성 원소(모원소)는 붕괴하면서 안정한 원소(자원소) 변해갑니다. 이 과정에서 일정 기간마다 물질의 양이 절반으로 줄어들게 되는데, 이 반감기는 원소에 따라 일정하기 때문에 사물에 남아있는 원소를 통해 연대를 측정합니다.
#_그 외의 연대측정법들
지금까지는 물리학적, 화학적인 연대측정법들에 대해 알아보았습니다. 하지만 위에서 설명하였듯이, 연대측정법들은 여러 분야를 넘나드는 분야입니다. 그렇다면 지구과학적인, 역사학적인 연대측정법에는 어떤 것들이 있을까요?
첫 번째는 화석을 이용한 연대측정법입니다. 우리가 어떤 돌에서 화석을 발견했다면, 그 돌은 그 화석의 주인공이 살았을 시대에 만들어진 돌이라고 볼 수 있습니다. 또한 역사학적인 연대측정법으로는 상대적 연대측정법이 있습니다. 상대적 연대측정법은 말 그대로 이미 만들어진 연대가 알려진 다른 것과 만들어진 시기를 비교하며 사용되는 연대측정법입니다. 이는 기록으로 남겨진 내용이 많은 역사학에서 쉽게 다룰 수 있는 연대측정법입니다. 생물학적인 방법으로는 나이테의 개수를 세는 방법이 있습니다. 나이테는 1년에 하나씩 만들어지므로 연도를 계산하기 용이합니다. 이들 방법 외에도 지하수를 통한 플루오린 매몰 연대측정법, 지구 자기축이 움직이는 것을 이용한 고지자기 연대측정법도 연대측정법 중 하나입니다.
현대의 연대측정법은 여러 가지 방법이 개발되었으나 아직 먼 과거의 일이 일어난 시기를 정확히 알기는 어렵습니다. 가장 오래된 돌보다 더 오래된 돌이 발견되면 지구의 역사는 조금씩 더 길어지게 됩니다. 연대측정법은 아직 연구될 여지가 남아 있는 만큼 더 흥미로운 분야입니다. 연대측정법이 바로 지구의 과거를 바라보는 시계입니다.
원하던 케미 2019 봄호
작성자: 19-106 천준성
분야: 핵화학
참고문헌:
[1][ 암석 표면 루미네선스 연대측정의 원리와 지형학적 적용]
2016, 홍성찬 고려대학교 지리교육과 교수
[2] The Science Times - [고고학 논란 종식시킨 연대측정법]
[3] Lg 케미토피아- 나는 너의 나이를 알고 있다! 탄소연대측정법
https://blog.lgchem.com/2015/01/carbondating/
이미지:
[1] https://blog.lgchem.com/2015/01/carbondating/
[2] http://www.newraon.com/modules/catalogue/cg_view.html?cc=10&p=1&no=24
[3] http://www.chem.ucla.edu/~harding/IGOC/C/carbon14.html
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