[지식더하기] 고고학의 시계, 연대측정법

2019년 3월 30일 업데이트됨



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.



탄소 연대측정법에는 C-14가 사용됩니다


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?



루미네선스란 열을 동반하지 않으면서 내는 발광현상입니다.

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.

모원소의 감소에 따라 자원소의 양은 증가합니다.

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



화석 또한 중요한 연대측정 요소 중 하나입니다


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]

https://www.sciencetimes.co.kr/?news=%EA%B3%A0%EA%B3%A0%ED%95%99-%EB%85%BC%EC%9F%81-%EC%A2%85%EC%8B%9D%EC%8B%9C%ED%82%A8-%EC%97%B0%EB%8C%80%EC%B8%A1%EC%A0%95%EB%B2%95&s=%ED%83%84%EC%86%8C%20%EC%97%B0%EB%8C%80%EC%B8%A1%EC%A0%95%EB%B2%95

[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

[4] https://pixabay.com/ko/photos/%ED%99%94%EC%84%9D-%EC%84%9D%ED%99%94-%EC%8A%A4%ED%86%A4-%EB%AC%BC%EA%B3%A0%EA%B8%B0-514980/



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