지식더하기 고고학의 시계 연대측정법

인디아나 존스 같은 고고학자들이 땅을 파다가 시커먼 뼈다귀 하나를 발견한다. 그리고 얼마 뒤 뉴스에는 "3만 5천 년 전 네안데르탈인의 뼛조각으로 밝혀졌습니다!"라는 기사가 뜬다. 도대체 뼈다귀에 제조일자가 적혀 있는 것도 아닌데, 과학자들은 무슨 수로 이 뼈가 3천 년 전인지 3만 년 전인지 족집게처럼 알아맞히는 걸까? 그 비밀은 죽은 생명체의 뼛속에 숨어있는 아주 특별한 '시한폭탄'들에 있다. 자연계에 존재하는 일부 불안정한 원자들은 시계 초침이 째깍거리듯 아주 정확한 속도로 쪼개지며 다른 물질로 변해간다. 이 원자들이 얼마나 쪼개졌는지를 역추적하여 수만 년의 시간을 완벽하게 계산해 내는 우주의 타이머, '방사성 동위 원소 연대 측정법'의 신비한 물리학 속으로 들어가 보자.

불안정한 쌍둥이, 동위 원소의 비밀

우리가 숨을 쉴 때 들이마시고 내뱉는 '탄소(Carbon)'는 자연계에 두 가지 모습으로 존재한다. 99%는 평생 변하지 않는 아주 얌전하고 안정적인 탄소(탄소-12)다. 그런데 아주 드물게 1조 개 중 1개 꼴로, 우주선(Cosmic ray)을 맞고 뚱뚱해진 극도로 불안정한 쌍둥이 탄소(탄소-14)가 섞여 있다. 이 탄소-14는 너무 뚱뚱하고 불안정해서(방사성 동위 원소), 가만히 내버려 두면 자기가 알아서 방사선을 뿜어내며 쪼개져서 전혀 다른 물질인 '질소(Nitrogen)'로 변해버린다. 이렇게 불안정한 원자가 쪼개지며 변하는 과정을 '방사성 붕괴'라고 부른다. 바로 이 붕괴 과정이 고고학자들의 시계태엽이 된다.

반으로 줄어드는 시간, 반감기(Half-life)

탄소-14가 질소로 변하는 속도는 온도나 압력에 전혀 영향을 받지 않고 우주의 철칙처럼 미치도록 일정하다. 과학자들이 계산해 보니, 탄소-14가 붕괴하여 처음 양의 '절반(1/2)'으로 팍 줄어드는 데 걸리는 시간은 정확히 '5,730년'이었다. 이것을 '반감기'라고 부른다. 5,730년이 지나면 탄소가 반 토막(1/2)이 나고, 다시 5,730년이 또 지나면 반의 반 토막(1/4)이 되며, 또 지나면 1/8이 되는 식으로 기가 막히게 규칙적으로 줄어든다. 모래시계의 모래가 떨어지는 속도가 5,730년짜리인 셈이다.

죽음의 순간, 모래시계가 뒤집히다

살아있는 소나 나무는 숨을 쉬고 밥을 먹으면서 계속 새로운 탄소-14를 몸속으로 흡수한다. 따라서 살아있는 동안에는 몸속의 탄소-14 비율이 100%로 꽉 채워져 있다. 그런데 소가 죽는 순간, 더 이상 숨을 쉬지 않으니 외부에서 탄소-14가 들어오는 통로가 영원히 끊겨버린다. 이때부터 뼛속에 갇힌 탄소-14의 타이머가 작동을 시작한다. 시간이 지날수록 뼛속의 탄소-14는 질소로 붕괴하며 점점 줄어들기만 한다. 만약 고고학자가 발굴한 뼛속의 탄소-14 양을 측정해 보니 살아있는 소의 '4분의 1(1/4)'밖에 남아있지 않았다면? 반감기(5,730년)를 두 번 겪었다는 뜻이므로, 이 소는 "5730 x 2 = 11,460년 전에 죽었구나!" 하고 사망 시각을 완벽하게 계산해 내는 것이다.

수억 년 전의 공룡은 무엇으로 잴까?

탄소-14는 반감기가 짧아서(5천 년) 대략 5~6만 년이 지나면 뼛속에서 탄소가 싹 다 사라져 버려 더 이상 측정할 수가 없다. 즉, 수천만 년 전에 죽은 티라노사우루스 공룡 뼈에는 써먹을 수 없는 시계다. 그래서 지질학자들은 공룡 뼈나 엄청나게 오래된 암석을 잴 때는 반감기가 수십억 년에 달하는 우라늄이나 칼륨 같은 '초대형 모래시계'를 쓴다. 우라늄-238은 절반이 납으로 변하는 데 무려 45억 년이나 걸린다. 과학자들은 지구상에서 가장 오래된 돌덩어리(운석) 속의 우라늄과 납의 비율을 재서, 지구의 나이가 45억 4천만 년이라는 사실을 기가 막히게 밝혀냈다. ![안정된 질소-14 원자로 변환하기 위해 전자를 진동하고 폭력적으로 쏘아내는(베타 붕괴) 불안정한 탄소-14 원자의 클로즈업 다이어그램](https://image.pollinations.