[북툰] 모든 것의 나이 - 방사성 연대측정법 한 방 정리!

 

 

1947년, 사해 인근의 어느 버려진 동굴에서

오래된 두루마리들이 발견되었습니다.

두루마리에는 구약성서 일부와 창세기 외경, 규율서, 찬송가 등이 고대 히브리어로 기록되어 있었습니다.

 

그 당시까지 가장 오래된 구약성서 사본은

9세기 경에 만들어진 것이었는데

이 두루마리는 그보다 더 오래된 사본으로 추정되었습니다.

 

그러나 보관 상태가 너무 양호하다 보니

두루마리의 진품 여부를 두고 논쟁이 벌어졌습니다.

 

논쟁은 오래가지 않아 종식되었습니다.

미국 시카고대학의 화학과 교수인 윌러드 리비가

자신이 최근에 개발한 방사성 탄소연대측정법으로 두루마리의 나이를 밝혀냈기 때문입니다.

 

양피지와 파피루스 조각에서 나온 연대는

BC168년에서부터 AD233년 사이였습니다.

덕분에 두루마리는 가장 오래된 구약성서 사본으로 인정받게 되었습니다.

 

이 두루마리가 바로 세기의 발견으로 일컬어지는 사해문서입니다.

사해문서의 논쟁을 종식시킨 방사성 탄소연대측정법은

고고학을 비롯해 지질학, 지구물리학에서 거의 필수적으로 사용되는 연대측정법입니다.

 

 

네, 오늘은 오래된 사물의 나이를 알아내는 방사성 연대측정법에 대해 알아보겠습니다.

어떤 원리로 연대측정을 하는지, 화석의 연대는 어떻게 측정하는지

그리고 신뢰도 문제는 없는지 등을 정리해보겠습니다.

 

 

--방사성

그럼 방사성 연대측정법을 이해하기 위해

먼저 원자 이야기부터 시작해볼까요?

원자의 중심에는 원자핵이 있습니다.

원자핵은 양성자와 중성자로 이루어져 있습니다.

모든 원자의 성질은 양성자의 개수에 따라 정해집니다.

양성자가 두 개인 원자는 모두 헬륨이고, 6개는 탄소. 7개는 질소입니다.

양성자 수가 같은 원자끼리도 중성자 수는 다를 수 있습니다.

 

예를 들어 6개의 양성자를 가진 탄소 원자에는

중성자 6개, 중성자 7개, 중성자 8개의 원자들이 있습니다.

이를 각각 탄소-12, 탄소-13, 탄소-14라고 부르는데

이처럼 양성자 수는 같고 중성자 수만 다른 원소들을 ‘동위원소’라고 합니다.

 

동위원소 대부분은 안정적이지만 어떤 것들은 불안정합니다.

탄소 동위원소에서는 탄소-12가 안정적이고 탄소-14는 불안정합니다.

안정적인 원소들은 아무리 오랜 시간이 지나도 자발적으로 원자핵이 붕괴되지 않습니다.

반면 불안정한 원소들은 원자핵이 방사선을 방출하면서 붕괴됩니다.

붕괴 뒤에는 안정적인 다른 원소로 바뀝니다.

이처럼 방사선을 방출하면서 붕괴되는 불안정한 동위원소를 ‘방사성 동위원소’라고 부릅니다.

 

원자핵이 붕괴되는 방법에는 크게 세 가지가 있습니다.

하나의 원자핵이 두 개의 덩어리로 분리되는 ‘알파붕괴’

중성자가 양성자로 혹은 양성자가 중성자로 바뀌는 ‘베타붕괴’

그리고 광자를 방출하는 ‘감마붕괴’입니다.

 

탄소-14의 붕괴는 중성자 하나가 양성자로 바뀌는 베타붕괴에 속합니다.

탄소-14가 베타붕괴를 하면 양성자 7개, 중성자 7개인 질소-14로 변합니다.

개개의 탄소-14가 붕괴하는 시점은 제각각입니다.

일단 붕괴가 시작되면 순식간에 질소-14로 변하지만

개개의 탄소-14가 언제 붕괴될지는 예측하기 어렵습니다.

그러나 집단으로 모여 있으면 전체적인 붕괴 양상이 뚜렷이 나타납니다.

 

탄소-14가 한 무더기 있을 때, 5730년이 지나면 절반이 질소-14로 변합니다.

다시 5730이 지나면 남은 절반이 질소-14로 변합니다.

다시 5730년이 지나면 또 남은 절반, 이런 식으로 계속 변해갑니다.

 

이처럼 방사성 동위원소의 절반이 다른 원소로 변하는 기간을 ‘반감기’라고 합니다.

탄소-14의 반감기는 5730년입니다.

탄소 외의 다른 방사성 동위원소들도 자신들만의 고유한 반감기를 가지고 있습니다.

특정 원자가 집단적으로 특정한 반감기를 보이는 현상은 참으로 신비롭지만,

이는 20세기 초에 양자역학으로 입증되고

아인슈타인의 질량/에너지 방정식으로 예측되며

현실에서 응용되고 있는 물리학의 영역입니다.

그렇다면 이 물리학을 어떻게 이용해서 연대를 측정하는지 알아보겠습니다.

 

 

--연대 측정

대기 중의 탄소 동위원소 비율은 기본적으로 항상 일정합니다.

탄소-12가 98.9%, 탄소-13이 1.1%, 그리고 아주 희박하게 탄소-14가 차지합니다.

 

그런데 탄소-14는 자발적으로 붕괴되기 때문에 시간에 따라 점점 줄어듭니다.

그럼에도 불구하고 탄소 동위원소 비율이 항상 일정하게 유지되는 이유는

탄소-14가 끊임없이 새로 생성되기 때문입니다.

 

탄소14는 지구 대기권으로 들어온 우주선에 의해 생성됩니다.

지구 자기장을 뚫고 들어온 우주선이 대기와 충돌하면서 중성자를 방출하고,

그 중성자들이 다시 질소-14와 충돌하여 탄소-14를 만들어냅니다.

 

대기 속 탄소 비율은 생물체 속에서도 항상 일정합니다.

지구상의 모든 생물은 광합성, 호흡, 먹이사슬을 통해 탄소를 흡수하기 때문입니다.

일정하던 비율은 생물이 죽는 순간부터 깨집니다.

생물이 죽으면 더 이상 탄소를 흡수하지도 배출하지도 않습니다.

안정적인 탄소-12는 그 수가 그대로 유지되지만

불안정한 탄소-14는 오랜 시간에 걸쳐 질소-14로 변합니다.

시간이 지날수록 유기체 속 탄소 비율과 대기 속 탄소 비율의 차이가 커집니다.

 

따라서 한때 생물이었던 모든 것들,

나무, 종이, 씨앗, 가죽, 동물 등에 남아있는 탄소 동위원소 비율을 측정해서

반감기를 계산하면

해당 생물이 언제 죽었는지 알 수 있습니다.

이것이 바로 방사성 탄소연대측정법의 기본 원리입니다.

 

물론 실제로는 더 복합적인 변수들을 고려해서 결과를 도출하지만

탄소연대측정법의 기본 원리는 의외로 간단합니다.

 

윌러드 리비는

방사성 탄소연대측정법을 개발한 공로로 1960년에 노벨화학상을 받았습니다.

이는 역대 노벨상 중 가장 간단한 원리로 수상했다는 말을 듣기도 합니다.

 

 

--신뢰도와 단점

탄소연대측정법의 가장 근본적인 가정은

대기중 탄소-14 비율이 항상 일정하다는 것입니다.

그래야 해당 유기체의 탄소-14 초기값을 추정할 수 있습니다.

 

그러나 실제로는 시대별로 탄소 비율에 약간의 변화가 있습니다.

지구 자기장의 변화, 태양 흑점 활동의 변화에 따라 지구 대기에 유입되는 우주선의 양이 시대별로 약간의 차이를 보이기 때문입니다.

 

또한 인간의 활동도 대기의 탄소 농도에 영향을 끼칩니다.

화석연료 사용으로 지난 300년 동안 많은 양의 탄소-12가 대기에 방출되었고,

핵실험으로 최근 50년 동안 탄소-14가 증가했습니다.

 

그러나 이런 요인들은 대부분 측정가능하기 때문에 오차를 크게 줄일 수 있습니다.

나무의 나이테와 극지방의 빙하 코어에는 지난 수천 년 동안의 대기 환경 데이터가 들어있습니다.

그외 다양한 기후 데이터를 종합적으로 분석해서 시대별 탄소-14의 보정값이 매년 업데이트됩니다.

정밀한 보정값과 측정기술의 발달로 인해

탄소연대측정법의 신뢰도는 꾸준히 높아지고 있습니다.

 

높은 신뢰도에도 불구하고 탄소연대측정법에는 단점이 있습니다.

그것은 바로 대략 6만 년까지의 연대 만 측정 가능하다는 것입니다.

 

탄소-14의 반감기는 5730년이기 때문에 반감기가 10번이

지나면 탄소-14의 잔량은 0.1%미만으로 사라져버립니다.

그래서 6만 년보다 더 오래된 연대측정은

반감기가 더 긴 방사성 동위원소들을 이용합니다.

 

방사성 연대측정법에는 탄소 말고도 방법이 많습니다.

다른 연대측정법들은 더욱 복합적이고

전문적인 수준의 계산을 필요로 하지만

원자핵 붕괴와 반감기를 이용한다는 점에서

탄소연대측정법의 원리와 기본적으로 동일합니다.

 

 

--화석의 연대측정

이 영상에서 모든 연대측정법을 소개하기는 어렵겠지만

한 가지 방법만 간략히 소개하고자 합니다.

그렇다면 화석의 연대를 측정하는 방법을 한번 알아볼까요?

 

오스트랄로피테쿠스 아파렌시스, 아르디피테쿠스 라미두스, 사헬란트로푸스 차덴시스,

이들은 모두 수백만 년 전에 아프리카 땅에 살았던 인류의 조상들입니다.

이 화석들의 진화적 유연관계를 파악하려면

비교해부학과 더불어 살았던 연대가 필요하겠죠.

 

화석의 연대측정에 주로 사용되는 원소는

하늘에서 생성된 탄소가 아니라

땅속 깊은 곳에서 추출한 칼륨과 아르곤입니다.

 

칼륨은 양성자 19개를 가진 원소입니다.

대부분의 칼륨은 양성자 19개에 중성자 20개로 된 칼륨-39입니다.

그러나 칼륨의 0.01퍼센트는 중성자가 한 개 더 많은 칼륨-40입니다.

칼륨-40은 불안정한 방사성 원소입니다.

칼륨-40의 약 90%는 중성자 하나가 양성자로 붕괴해서 칼슘-40이 되고

나머지는 반대로 양성자 하나가 중성자로 붕괴해서 아르곤-40이 됩니다.

 

칼륨-40의 반감기는 약12억5천만 년입니다.

그래서 칼륨-아르곤 연대측정법은 아주 오래된 암석을 측정하는데 유리합니다.

그리고 탄소가 한때 살아 있었던 생명체의 연대측정에 적절하다면

칼륨/아르곤은 화산암의 연대 측정에 적절합니다.

 

화산암이란 화성암의 한 종류로서 용암이 굳어져 생성된 암석을 말합니다.

칼륨-아르곤이 화산암 연대측정에 유리한 이유는

모든 용암에는 처음부터 아르곤-40이 들어 있지 않기 때문입니다.

즉 초기값을 추정하기 수월합니다.

 

아르곤은 헬륨, 네온과 함께 비활성기체에 속합니다.

비활성기체는 다른 원소들과 화학반응을 일으키지 않고 그저 서로 부딪히면서 튀기만 합니다.

 

용암은 온도가 매우 높고 반액체 상태이기 때문에

그 속에 있는 모든 아르곤 원자들은 이리저리 튀다가

표면에 도달하면 곧바로 대기속으로 탈출해버립니다.

 

그래서 갓 형성된 화산암에는 아르곤이 없습니다.

만약 오래된 화산암에서 아르곤-40이 발견된다면

그것은 칼륨-40의 붕괴에 의해 생성되었다고 볼 수 있습니다.

 

화산암에 포함된 아르곤-40과 칼륨-40의 함유량을 알고 반감기만 적용하면

연대를 쉽게 측정할 수 있다는 얘기입니다.

물론 실제 칼륨/아르곤 연대측정법은 이보다 더 복합적인 변수들을 고려합니다.

아르곤의 오염이나 유실 가능성도 계산해서 정밀한 보정값을 적용합니다.

 

그런데 정작 화석은 화산암에서 발견되지 않습니다.

사람이나 동물의 뼈가 용암의 열기를 버티면서

남아 있을 가능성은 거의 없기 때문입니다.

화석들은 대부분 진흙과 모래가 번갈아 쌓인 퇴적층에서 발견됩니다.

 

퇴적층은 출생 신분이 매우 복잡한 원소들로 가득하기 때문에

직접적인 연대를 측정하기 어렵습니다.

 

그렇다면 퇴적층의 연대는 어떻게 측정할까요?

첫째와 셋째의 나이를 알면 둘째의 나이를 짐작할 수 있겠죠.

마찬가지로 퇴적층의 위아래층 연대를 알면

가운데 층의 연대를 추정할 수 있습니다.

 

예를 들어 퇴적층 아래 화산암이 700만 년 전이고

퇴적층 위의 화산암이 600만 년 전이라면

가운데 낀 퇴적층은 700만 년 전에서 600만 년 전 사이로 추정하는 식입니다.

 

근래에 들어서는 측정기술이 비약적으로 발달해서

화석의 연대를 직접적으로 분석하기도 합니다.

 

1997년에 에티오피아에서 발견된 헤르토인의 경우에는

도구와 화석에 미세하게 화산암 성분들을 포함하고 있어서

그 화산암 성분에 아르곤-아르곤 연대측정법을 실시할 수 있었습니다.

 

화석에 대한 직접적인 연대측정과 주변 지층의 간접적인 연대를 종합적으로 분석한 결과

헤르토인의 나이를 16만년 전에서 15만4천년 전 사이라는

매우 세밀한 결과를 얻을 수 있었습니다.

 

 

이외에도 우라늄-납 측정법이나 루비듐-스트론튬 측정법 등

다양한 방사성 연대측정법이 있습니다.

해당 암석의 특징을 고려해 처음부터 초기값을 추정하기 유리한 방법을 선택하거나

서로 교차 검증하는 방식으로 결과값의 신뢰도를 높입니다.

 

방사성 연대측정법으로 지구상의 많은 지층연대가 분석되어

지하자원 추출에 효과적으로 사용되고 있습니다.

 

 

방사성 연대측정법은 인류의 오랜 궁금증이던 지구의 나이도 알아냈습니다.

지구에서 오래된 암석, 소행성에서 떨어져 나온 운석

그리고 달의 월석을 교차 검증한 결과는

지구의 나이가 45.6억 년임을 가르키고 있었습니다.

 

그렇게 보면 자연의 모든 것들은 자신의 나이에

대한 정보를 스스로 간직하고 있는 셈입니다.

 

 

 

안타까운 일이지만 온라인 상에서 연대측정법을

검색하면 가짜뉴스가 굉장히 많이 나옵니다.

 

가짜뉴스 대부분이 연대측정법에 대한 불신을 조장하는 내용인데

출처를 보면 거의 기독교 관련 쪽입니다.

 

지구의 나이가 구약성경에 암시된 대로

6000년이라고 믿는 창조과학 단체나 기독교 근본주의자들이

젊은지구설을 주장하는 것입니다.

 

그런데 그들의 주장은 젊은지구설을 증명하기 보다

주류과학을 공격하는 방법을 택합니다.

대부분의 가짜뉴스가 그러하듯

진실 규명보다 상대방의 이미지에 타격을 입히기만 하면 목적이 달성되는 것이죠.

 

창조과학 쪽의 주장은 거짓 증거에 근거하고

부분적인 오류를 전체적인 문제로 일반화하는 방식에 집착하거나

심지어 물리법칙을 무시하는 발언을 서슴지 않습니다.

21세기에 분명 퇴출되어야 할 가짜뉴스들입니다.

 

 

방사성 연대측정법이 정말로 신뢰하기 어려운 방법이라면

지질학자들 스스로 그 방법을 포기했을 것입니다.

과학은 늘 과거의 방법에 비판적 분석을 가하고 새로운 방법을 찾기 때문입니다.

 

실제로 루비듐-스트론튬 연대측정법은 현재 잘 사용하지 않습니다.

칼륨-아르곤 보다 아르곤-아르곤 측정법을 더 선호합니다.

이는 과거의 측정법들에 결정적인 결함이 있어서가 아니라

단지 조금이라도 더 편리하고 신뢰도가 높은 방법을 원했기 때문입니다.

 

부분적인 오류가 있다 해도 방사성 연대측정법은

정확히 일치하는 경우가 압도적으로 많습니다.

 

방사성 연대측정법은 인류가 취할 수 있는 가장 유익한 도구이며

현대 물리학을 이용해 사물의 나이를 밝히는 놀라운 과학적 성취입니다.

 

사해문서가 진품임을 보여주는 증거는

사해문서 속 글에 적혀 있는 게 아니라

사해문서 속 방사성 동위원소에 들어있습니다.