방사성 탄소 연대측정법

1. 개요[편집]

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放射性炭素年代測定法, Radiocarbon dating, Carbon dating

방사성 탄소(¹⁴C, C14[1])를 이용한 연대측정법으로, 탄소연대측정법이라고도 한다. 방법을 개발한 미국의 화학자 윌러드 리비는 이것으로 1960년 노벨화학상을 수상했다.

2. 상세[편집]

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2.1. 탄소연대측정법의 원리[편집]

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동위원소 연대측정법의 한 가지이다. 이름 그대로 시료 내에 들어있는 탄소-14 개수를 기계로 측정하여 그 연대를 알아내는 것이다.

자연에서 탄소는 세 가지 동위원소 형태로 존재하는데, 그 중 약 99%로 압도적인 비율을 차지하는 탄소-12와 나머지의 대부분을 차지하는 탄소-13은 안정적인 동위원소이다. 하지만 다른 하나인 탄소-14는 약 5730년의 반감기를 지닌 방사성 원소이며, 탄소-14를 방사성 탄소(radiocarbon)라고 부른다. 이러한 방사성 탄소는 시간이 지나면서 질소로 붕괴되어 사라지겠지만, 사실 대기 내에서 우주선이 질소에 부딪히며 꾸준히 생겨나기 때문에, 실제로 탄소-14의 비율은 대체로 일정하게 유지되어 온 것으로 알려져 있다.

위의 이유로 인해서 광합성 등을 통해 대기와 탄소를 꾸준히 교환하는 유기물[2] 내에 존재하는 탄소 중에서 탄소-14의 비율은 유기물이 살아있는 동안은 일정하게 유지된다. 하지만 유기물이 죽음으로 인해서 더 이상의 탄소 교환을 하지 않게 되면, 그 이후로는 안정적인 탄소의 수는 유지되지만 탄소-14는 방사성 붕괴를 거치면서 수가 감소하기 때문에 탄소 중에서 탄소-14가 차지하는 비율이 지속적으로 감소하게 된다. 이러한 사실을 이용하면, 포함되어 있는 탄소 중에서 탄소-14의 비율을 이용해 역으로 그 물체가 언제 죽었는지 역산할 수 있을 것이다.[3]

당연하지만, 그 시료로는 호흡을 통해 공기 중으로부터 탄소를 흡수하고 축적하는 유기물이 그 대상이 된다. 즉 동·식물이 그 대상이고, 사람의 인골도 측정할 수 있다. 한국에서는 주로 '목탄'을 대상으로 한다.

측정된 탄소연대의 수치는 '2900±30bp'와 같이 표현된다. 여기서 2900은 지금으로부터 2900년 전의 유물이라는 의미이고, 30은 그 오차범위를 의미한다. 즉 이 유물은 2930~2870년 전 것으로, 2900은 그 평균치를 의미한다. bp란 ‘before present’의 약자로 지금으로부터 몇년 전이라는 뜻으로, 1950년을 기준으로 한다. 정리해보면 이 유물은 지금으로부터(1950년) 약 2900년 전의 유물이라는 뜻으로, 1950-2900을 하여 약 기원전 950년경에 사용된 유물이라고 해석해 볼 수 있다.

2.2. 탄소연대측정법의 실제 원리[편집]

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그러나 탄소연대측정법의 원리는 사실 이처럼 단순하지 않다. '대기 중의 탄소-14 개수는 언제나 일정하다'고 알려져있지만, 실상은 그렇지 않기 때문이다. 시기마다 공기 중의 탄소-14 개수는 일정치 않고 미세한 변동이 있으며, 특히 어떤 시기는 엄청난 변동이 일어나기도 한다. 이에 대해서는 기후변동, 태양흑점의 변화, 인간의 행위 등 다양한 이유들이 있다. 특히 인간 행위와 관련해서 대표적인 사례로 선사시대에 농업이 전세계적으로 대개 비슷한 시기에 발생하는데, 이 때 농사를 짓기 위해 수많은 산림을 태우게 되면서 공기 중의 탄소량이 크게 변했다고 추측하고 있다.

또한 현대 사회에 들어서서 '인간의 화석 연료 사용'과 '핵실험'으로 공기 중의 탄소량이 급격하게 증가하였다.[4] 특히 후자의 핵실험으로 인해 1963년 탄소량이 핵실험 이전의 1950년보다 80%이상 증가한 것으로 알려져 있다(HAJDAS 2008).

산업혁명 이후의 탄소배출은 전근대와는 비교할 수 없을만큼 공기 중의 탄소량을 크게 교란시켰기 때문에 당연하게도 산업혁명 전과 이후의 탄소량은 큰 차이가 날 수 밖게 없다. 따라서 1950년의 탄소량을 기준으로 하여 측정한 탄소연대값은 당연히 과거의 실제 연대를 반영하지 못하게 된다. 이 때문에 위에서 원리를 설명한 것처럼 단순하게 ‘1950-2900 =기원전 950년’을 하면 결국 틀린 계산법이 되는 것이다.

학자들은 이러한 탄소연대측정법의 문제를 해결하기 위해 나무의 나이테 연대를 이용하여 이를 보정하고 있다. 잘 아는 것처럼 나무의 나이테는 1년에 한번씩 생성되기 때문에 이 개수를 역산하면 나무의 나이를 알아낼 수 있다. 또한 나무는 호흡을 통해 탄소를 흡수하기 때문에 그 나무의 나이를 안다면 특정 시기의 탄소량도 알아낼 수 있다. 예를 들면 나무의 나이테를 세어 이 나무가 기원전 2000년경 죽은 것을 알아내었다면 그 탄소량을 측정하여 기원전 2000년경의 대기 중의 탄소량도 알아낼 수 있는 것이다.

파일:보정곡선.jpg 파일:2900bp.jpg

이처럼 나무의 탄소량을 측정해 당시 실제 탄소량을 알아내고, 각 시기별 나무의 탄소연대를 연결시켜 만든 구불구불한 곡선을 '보정 곡선'이라고 한다(위의 그림들의 파란 곡선). 이를 통해 '공기 중의 일정한 탄소량을 가정한' 시료의 측정값을 보정할 수 있다. 탄소연대측정을 통해 우리가 알고자 하는 실제 연대값(BC/AD)을 알기 위해서는 이 ‘보정곡선’과 합치하여 나온 보정된 결과값을 사용해야한다.

그 원리는 굉장히 단순하다. 오른쪽 그림을 보자. 이 그래프 중앙의 구불구불한 굵은 파란선은 나이테연대법을 통해 얻은 보정곡선을 의미하고, y축은 탄소연대측정을 통해 얻은 bp값을, x축은 우리가 알고자 하는 BC/AD 값을 나타낸다. 아까 제시하였던 2900bp의 실제 연대를 알고자 한다면 y축의 2900선과 구불구불한 보정곡선이 만나는 모든 지점을 연결하여 아래로 그어 내리면 된다. 그러면 대략 기원전 1125년~1050년경과 연결되는 것을 볼 수 있는데, 이것이 실제 연대값이다.[5] 이는 아까 보았던 기원전 950년경과는 큰 차이가 있는 것을 볼 수 있다. 탄소연대측정법은 이러한 방식으로 사용해야하며, 다시 반복하지만, 1950년에서 빼기를 통해 구하는 것은 잘못된 방법이다.

또한 탄소연대는 보정된 값과 보정되지 않은 값을 구별해서 써야한다. 예를 들면 보정되지 않은 값은 2900±15bp 혹은 2900±15 uncal BP로, 숫자 뒤에 소문자 bp나 uncal BP를 붙여줘야한다. 따라서 책이나 논문에서 탄소연대가 이렇게 표기되어있다면 나이테연대로 보정되지 않은 값을 의미하는 것이다.

나이테연대를 통하여 보정된 값은 2900±15 BP 혹은 2900±15 cal BP라고 표기하며, 실제 연대로 환산된 값은 'cal BC'라고 표기한다. 정리해보면 보정값은 앞에 cal이라는 단어를 표기하여 구분하거나 또는 대문자로 이를 구분해줘야한다.

최근에는 여러 프로그램들이 인터넷으로 무료로 제공되어있어 자신이 가진 탄소연대의 실제연대값을 알고 싶다면 간편하게 입력하면 자동으로 계산되어나온다.

3. 사용[편집]

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주로 고고학과 지질학 분야에서 주로 쓰인다. 고고학에서는 선사고고학, 역사고고학의 시대적 범위가 방사성 탄소 연대측정법의 분석 결과가 안정적인 1만년 이내의 범위에 해당하므로 신석기 시대를 포함하여 널리 활용되고 있다. 다만 구석기 시대까지는 방사성 탄소 연대측정법을 활용하기에는 무리가 있으며 다른 동위원소 연대측정법이나 다른 절대연대 측정법을 활용한다.

현대에는 AMS(Accelerator Mass Spectrometer, 가속질량분석기)를 통해서 미량의 시료만으로도 연대측정이 가능해졌다.

4. 관련 문서[편집]

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• 지질학
• 고고학
• 연대측정법
  • 절대연대측정법 - 동위원소 연대측정법
  • 상대연대결정법 - 형식학(고고학)
• 한국 방사성탄소연대 이상연대치의 선별과 검증