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고대유물의 나이를 알아내는 방사성동위원소

  • 2013.12.18.
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얼마 전 네티즌들 사이에서 ‘거북선의 내부 구조’가 이슈가 되어 그에 관한 논란이 끊이지 않았습니다.
쟁점의 요지는 ‘거북선이 몇 층짜리 구조를 갖고 있었느냐’인데요, 거북선 관련 사료인 <이충무공서>에 의하면 ‘군사들이 쉴 때는 포판 아래, 싸울 때는 포판 위에 올라와 쏜다.’고 기록되어 있고, 그림과 설명 중에 3층에 대한 언급이 없어 대부분의 학자들은 거북선이 2층 구조로 추정된다고 주장해왔습니다. 그러나 1867년 일본 니가타현의 나가오카 성벽을 허물 때 3층짜리 거북선 그림이 발견됐고, 그 그림을 탄소동위원소로 분석해본 결과, 그림이 1640년대에 그려진 것으로 거북선 실물을 보고 그린 것으로 관측된다는 의견이 제기됐습니다.

거북선이 2층인지 3층인지의 여부는 아직도 논란거리지만, 거북선 그림의 제작연도를 정확히 알아낸 ‘방사성동위원소’의 연대측정 원리가 어떤 것인지에 대해 알아볼까 합니다.

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방사성동위원소란 우라늄의 9종 동위원소 중 방사선을 내는 5종의 원소를 말합니다.
이것은 알파선, 베타선, 감마선 등을 방출하는 것 외에는 화학적 성질이 안정동위원소와 동일하고, 단지 아주 미세한 원자량의 차이만 보인다고 합니다. 그렇다면 이런 방사성동위원소를 어떻게 이용해 고대유물의 나이를 알아내는 걸까요? 그것은 미술품에 사용된 재료의 제작 시기를 측정하는 ‘방사선 탄소연대측정법’의 분석 덕분입니다.

방사선 탄소연대측정법은 측정 대상이 되는 사물에서 수십mg의 시료를 떼어 내 그 재료가 얼마나 오래된 것인지를 분석하는 방법으로 1950년도 이전에 제작된 것에 한해 측정이 가능하다고 합니다.

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지금까지 알려진 유물의 연대측정법에는 C14탄소연대측정법, 열형광법, 아미노산정량법, 핵분열비적법, 전자상자성공명법 등 총 10여 가지의 방법이 있습니다. 이중에서도 가장 많이 사용되는 측정법은 C14탄소연대측정법인데요, 이것은 1960년 노벨화학상을 수상한 리비(Willard Frank Libby, 1908~1980) 박사가 개발했습니다. C14탄소연대측정법이란 불안정한 방사능 물질을 안정된 정상적인 물질로 변화시키는 핵의 자연붕괴를 이용해 대상물질의 연대를 측정하는 방법입니다.

사실 이런 연대측정법이 가능하다는 사실은 방사성 물질이 발견된 지 얼마 안 돼 알려졌는데요, 과학자 러더퍼드(Ernest Rutherford, 1871~1937)는 방사성원소가 어떻게 정해진 비율로 붕괴하고 시간이 지남에 따라 일련의 과정을 거쳐 다른 원소들로 바뀌어 납 형태로 안정화되는지를 최초로 설명했습니다. 그러나 당시 원자는 절대 파괴될 수 없다고 생각했던 대부분의 학자들은 러더퍼드의 주장을 비난했고, 결국 제2차세계대전 기간 중 원자폭탄을 제조한 맨하탄계획에 참가했던 화학자 리비가 방사성원소에 대한 가설들을 발전시켜 C14탄소연대측정법을 개발했습니다.

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리비가 정리한 C14탄소연대측정법을 쉽게 설명하면 다음과 같습니다.
대기 중의 이산화탄소는 대부분 C12, C13이라는 탄소로 구성
되어 있고, 그 외에 아주 미세한 양의 C14가 함유되어 있다고 합니다. C14는 대기권 속에 들어오면 다른 동위원소와 같이 이산화탄소를 형성하게 되는데, 동물, 식물, 박테리아 등의 호흡이 중단되면 C14의 형성도 중단된다고 합니다.

다시 말해, 한 유기체가 죽으면 더 이상 대기 중의 이산화탄소를 흡수하지 못하기 때문에 그 유기체가 형성한 방사성 탄소인 C14의 생성도 중단됩니다. 그러나 C12와 C13은 비방사성이기 때문에 유기체가 죽어도 그대로 남아있게 되죠. 따라서 C14 비율은 유기체가 죽은 뒤 시간이 지남에 따라 점점 감소하게 되므로 이 비율을 이용해 그 유기체가 언제 죽었는지 알아내는 것입니다.

예를 들어, 처음 있었던 C14가 1,000개라고 했을 때 C14의 반감기인 5,730년 후에는 원래의 반인 500개가, 다시 반감기가 지나면 250개, 또 다시 125개로 줄어드는 방식입니다.

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C14탄소연대측정법은 고고학과 지질학 등에 다양하게 쓰이고 있으나, 분석을 할 때 몇 그램의 시료를 유물에서 떼어내야 해 결과적으로 유물을 훼손하게 된다는 문제가 있습니다. 그래서 많은 학자들의 연구 끝에 1970년 0.001g의 미세한 탄소 시료로도 정확한 연대측정이 가능한 ‘가속질량분석기’가 개발됐고, 이후 이 분석기를 사용하고 있습니다.

이렇게 방사성 동위원소측정법에 대해 알아보니 정말 과학의 힘이 대단하다는 느낌이 듭니다. 그 옛날 누군가 그린 그림의 재료 0.001g만으로도 그 그림이 그려진 연대를 정확히 판별해낼 수 있다니 참 신기하고 고맙기까지 합니다.

 

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