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방사성 탄소 연대 측정

탄소-14를 사용해 연대를 추정하는 방사능 연대 측정의 한 방법
(방사성 탄소 연대 측정법에서 넘어옴)

방사성 탄소 연대 측정법(放射性炭素年代測定法, 영어: radiocarbon dating)은 탄소화합물 중의 탄소의 극히 일부에 포함된 방사성 동위 원소인 탄소-14(14C)의 조성비를 측정하여 그 만들어진 연대를 추정하는 방사능 연대 측정의 한 방법이다. 간단하게 탄소연대측정이라고도 부른다.

뉴질랜드 웰링턴[1]과 오스트리아 벌먼트[2]에서 측정한 대기중 탄소-14 농도의 연간 변화. 뉴질랜드 데이터는 남반구를 대표하며, 오스트리아 데이터는 북반구를 대표한다. 북반구에서의 탄소-14 농도는 대기중 핵실험 때문에 거의 두배로 증가하였다[3].

사용

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탄소연대측정이 가장 많이 사용되는 대상은 유기물이 포함되어 있는 고고학 유물이다.[출처 필요] 코로나 질량 방출 등과 같은 이유로 우주선이 생기는데 이 우주선에 의해 생성되는 중성자가 질소-14와 핵반응을 일으켜 탄소-14가 붕괴되는 만큼 다시 생성하여 대기중의 탄소-14 비율이 일정[4]하다. 식물은 광합성, 동물은 호흡을 통해 대기중에 있는 탄소를 주고 받기 때문에, 살아 있는 동물과 식물이 가지고 있는 탄소-14의 비율은 공기중의 비율과 일치한다. 사후에는 외부와 격리된 상태에서 탄소-14만이 방사성으로 시간에 따라 감소하므로 반감기를 통해 경과시간 추정이 가능해진다.

탄소-14의 반감기는 약 5730년이며, 이를 이용하여 6만년까지의 연대를 측정할 수 있다. 보정(calibration)을 거치지 않은 순 연대에 대해 흔히 1950년을 기준으로 거꾸로 올라가는 BP(Before Present)라는 단위를 쓰며, 보정을 통해 실제의 날짜와 일치시킨다. 1950년을 기준으로 삼는 것은 핵실험에 의해 대기중 탄소-14의 양이 인위적으로 변화한 시점이 1950년이기 때문이다. 보정에 있어서는 일반적으로 매우 오랫동안 살아있는 나무를 이용한다. 나무는 나이테 분석을 통해 그 나이를 정확히 알 수 있기 때문이다.

이 기술은 시카고 대학교의 윌러드 리비(Willard Libby)와 그의 동료들이 1949년에 발견하였다. 리비는 탄소-14를 이용하면 1분에 단위 그램 당 14개의 14C가 붕괴한다는 결과를 얻었고, 이로 인해 1960년 노벨 화학상을 받게 되었다.[5]

방법

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탄소-14의 양을 실험적으로 측정하는 방법으로 방사선 계측법과 가속기 질량 분석법이 이용된다.

베타계수법

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방사선 계측법, 또는 베타계수법은 시료 속에 포함된 탄소-14가 베타 붕괴를 일으키며 방출하는 전자의 수를 정밀 측정하여 탄소-14의 양을 역산하는 방법이다. 베타계수법은 기체 비례 계수법(Gas proportional counting)과 시료 중의 탄소를 벤젠으로 변환시켜 베타선 검출기로 측정하는 액체 섬광 검출법(Liquid scintillation counting, LCS) 두 가지 방법이 있다. 이 방법은 탄소-14의 반감기가 상대적으로 길기 때문에 적은 수의 전자만을 관찰할 수 있고, 이에 따라 상대적으로 큰 통계적 오차를 발생시킨다.[5][6]

질량분석법

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탄소-14 원자를 검출하고 측정하는 직렬가속기(Tandem Accelerator)의 모식도

가속기 질량 분석법은 매우 적은 양의 시료로도 탄소-14의 비율을 정확히 알 수 있다. 가속기 질량 분석법은 시료속의 탄소 원자를 이온화 시킨 후, 입자 가속기로 가속한다. 가속된 이온을 자기장을 통과 시키면 그 질량에 따라 다른 궤적을 보이는데, 이를 통해 탄소-14와 다른 탄소 동위원소를 구분할 수 있다.[7][5]

베타계수법에 대한 질량분석법의 장점으로는 곤충의 일부[8]와 같은 매우 적은 양의 시료로도 연대측정이 가능하고 분석의 정밀도가 향상되어 6만년까지 측정이 가능하며 효율성도 높다. 단점으로는 비용이 높다.[5][6]

복수의 실험실에서 수행된 연대 측정 결과 베타계수법(기체 비례 계수법, 액체 섬광 검출법)과 질량분석법 간에는 큰 차이가 없다.[9][10]

방사성 탄소 연대 측정의 오차

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오염

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시료에 더 오래되거나 새로운 탄소가 첨가되어 연대 측정에 오차가 발생할 수 있다. 예를 들어, 건조 시료 1mg에 0.1mg의 현대 탄소가 첨가되면 약 2100~2700년의 오차가 발생할 수 있다. 오염은 시료 채취 도중 혹은 실험실에서도 발생할 수 있다. 이러한 오염을 제거하기 위해 물리적, 화학적 전처리 과정을 수행한다.[11][5]

해양

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탄소-14가 포함된 이산화탄소는 탄산염의 형태로 해수에 혼합된다. 상층부의 해수가 침강하면 해수가 겉보기 연대(Apparent age)를 갖게 된다.[5] 이 연령 효과는 인도양 북부에서 30년[12], 태평양 적도 지역에서 600년[13] 등으로 보고되어 있다.

탄소-14 변동

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탄소-14 생산량은 장기 혹은 단기적으로 변동한다. 실제로 대기 중 탄소-14의 큰 변이가 25,000 yr BP 이전에 발생했다는 것이 발견되었으며[14] 이는 3~5만 년 전의 연대 측정에 문제가 되었다.[15] 탄소-14 변동의 원인으로는 지구 자기장의 변화나 태양 흑점 활동 변화로 인해 우주선 유입이 변동하거나[16] 해양 순환 패턴의 변화로 해양 이산화탄소가 대기로 방출되는 양의 증가나 감소된다는 가설이 있다.[17]

인간의 활동 또한 탄소-14 농도에 영향을 준다. 산업 혁명 이후 지난 250년간 화석연료 사용으로 대량의 탄소-12가 대기 중에 방출되었으며 이는 탄소-14 농도를 낮추는 효과를 가져왔다. 그러나 이 산업효과는 1960년대 대기 중 탄소-14의 농도를 증가시킨 원자폭탄 실험으로 상쇄되었다.[5][18][6]

호수 퇴적물

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호수 퇴적물은 오염이 쉽게 되어 신뢰할 만한 연대를 얻기 어렵다. 탄산염(주로 석회암)을 포함한 호수는 물의 탄소-14 농도를 희석시켜 담수호 물질의 겉보기 연대를 1600년 정도 증가시킨다.[19]

같이 보기

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각주

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  1. ↑ Atmospheric δ14C record from Wellington 보관됨 2014-02-01 - 웨이백 머신, Carbon Dioxide Information Analysis Center 보관됨 2008-06-08 - 웨이백 머신, 2012년 8월 26일 확인.
  2. ↑ δ14 CO2 record from Vermunt 보관됨 2008-09-23 - 웨이백 머신, Carbon Dioxide Information Analysis Center 보관됨 2008-06-08 - 웨이백 머신, 2012년 8월 12일 확인.
  3. ↑ Radiocarbon dating, Utrecht University, 2012년 8월 12일 확인.
  4. ↑ 로널드 L. 넘버스 (2016). 《창조론자들》. 새물결플러스. 480쪽. ISBN 9791186409558. 
  5. ↑ 가 나 다 라 마 바 사 Mike, Walker (2016년). 《제4기 지질시대 연대측정방법 Quaternary Dating Methods》. 고양시: 문우사. ISBN 979-11-85994-15-4. 
  6. ↑ 가 나 다 정창식 (2000년). “신기 단층에 대한 절대연대 측정법 정립 (Absolute Age Determination of Quaternary Faults)”. 한국기초과학지원연구원. 
  7. ↑ 이온빔 가속기를 이용한 방사성탄소 동위원소 분석 보관됨 2013-09-04 - 웨이백 머신, 서울대학교 정전가속기 연구센터 보관됨 2013-09-05 - 웨이백 머신.
  8. ↑ Walker, M. J. C.; Bryant, C.; Coope, G. R.; Harkness, D. D.; Lowe, J. J.; Scott, E. M. (2001년). “Towards a Radiocarbon Chronology of the Late-Glacial: Sample Selection Strategies”. 《Radiocarbon》 43 (2B): 1007-1019. doi:10.1017/S0033822200041679. 
  9. ↑ Boaretto, Elisabetta; Bryant, Charlotte; Carmi, Israel; Cook, Gordon; Gulliksen, Steinar; Harkness, Doug; Heinemeier, Jan; McClure, John; McGee, Edward; Naysmith, Philip; Possnert, Goran; Scott, Marian; Plicht, Hans van der; Strydonck, Mark van (2002년). “Summary findings of the fourth international radiocarbon intercomparison (FIRI)(1998–2001)”. 《Journal of Quaternary Science》 17 (7): 633-637. doi:10.1002/jqs.702. 
  10. ↑ Scott, E. M. (2003년). “Section 1: The Fourth International Radiocarbon Intercomparison (Firi)”. 《Radiocarbon》 45 (2): 135-150. doi:10.1017/S0033822200032574. 
  11. ↑ Wohlfarth, B.; Skog, G.; Possnert, G.; Holmquist, B. (1998년 12월). “Pitfalls in the AMS radiocarbon-dating of terrestrial macrofossils”. 《Journal of Quaternary Science》 13 (2): 137-145. doi:10.1002/(SICI)1099-1417(199803/04)13:2<137::AID-JQS352>3.0.CO;2-6. 
  12. ↑ Dutta, Koushik; Bhushan, Ravi; Somayajulu, B. L. K. (2001년). “ΔR Correction Values for the Northern Indian Ocean”. 《Radiocarbon》 43 (2A): 483-488. doi:10.1017/S0033822200038376. 
  13. ↑ Shackleton, N. J.; Duplessy,, J.-C.; Arnold, M.; Maurice, P.; Hall, M. A.; Cartlidge, J. (1988년 10월). “Radiocarbon age of last glacial Pacific deep water”. 《nature》 335: 708-711. doi:10.1038/335708a0. 
  14. ↑ Beck, J. Warren; Richards, David A.; Edwards,, R. Lawrence; Silverman,, Bernard W.; Peter, L. Smart; Douglas, J. Donahue; Sofia, HERERRA-OSTERHELD,; Geroge, S. Burr; Leal, Calsoyas; Timothy, A. J.; Biddulph, Dana (2001년). “Extremely Large Variations of Atmospheric 14C Concentration During the Last Glacial Period”. 《Science》 292 (5526): 2453-2458. doi:10.1126/science.1056649. 
  15. ↑ Richard, David A.; Beck, J. Warren (2001년 9월). “Dramatic shifts in atmospheric radiocarbon during the last glacial period”. 《Antiquity》 75 (289): 482-485. doi:10.1017/S0003598X00101590. 
  16. ↑ Stuiver, Minze; Braziunas, Thomas F.; Becker, Bernd; Kromer, Bernd (1991년 1월). “Climatic, solar, oceanic, and geomagnetic influences on late-glacial and holocene atmospheric 14C/12C change”. 《Quaternary Research》 35 (1): 1-24. doi:10.1016/0033-5894(91)90091-I. 2024년 3월 26일에 원본 문서에서 보존된 문서. 2024년 3월 26일에 확인함. 
  17. ↑ Goslar, Tomasz; Arnold, Maurice; Bard, Edouard; Kuc, Tadeusz; Pazdur, Mieczyslaw F. (1995년). “High concentration of atmospheric 14C during the Younger Dryas cold episode”. 《Nature (London)》 377 (6548): 414-417. doi:10.1038/377414a0. 
  18. ↑ Taylor, R. E. (2001) Radiocarbon Dating, in D. R. Brothwell, A. M. Pollard (eds), Handbook of Archaeological Sciences, 23-34
  19. ↑ Peglar, S. M.; Fritz, S. C.; Birks, H. J. B. (1989년). “Vegetation and Land-Use History at Diss, Norfolk, U.K.”. 《Journal of Ecology》 77 (1): 203-222. doi:10.2307/2260925. 
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