방사성 탄소 연대 기술은 현 인류에 영향을 많이 미친20세기 가장 중대한 발견 중 하나입니다. 다른 어떤 과학적 측정 방법도 인류가 현재 존재하는 일뿐 아니라 수천 년 전에 일어났던 일까지 알 수 있게 해 것은 없습니다.
Archaeology 이외 인문 과학에서 자신의 이론을 입증하거나 틀렸음을 입증하는데 방사성 탄소 연대를 사용하며 또한 오랫동안 지질학, 수문 학, 지구 물리학, 대기 과학, 해양학, 고기후학, 바이오 의학 분야에서 방사성 탄소 연대 측정 기술을 응용해 사용하고 있습니다.
방사성 탄소 혹은 탄소 14는 탄소의 동위 원소로서 불안정하고 약한 방사성을 가지고 있으며, 반면에 탄소 12와 탄소 13은 안정된 동위 원소입니다.
탄소 14는 질소 14의 원자에 있는 중성자의 영향으로 상층 대기에서 지속적으로 만들어지며, 이산화 탄소를 만들기 위해 공기 중에서 빠르게 산화하여, 전체 탄소 사이클로 들어갑니다.
식물과 동물은 살아있는 동안 이산화 탄소로부터 탄소 14를 받아들이지만, 죽으면 생물 권과 탄소 교환을 중단하며, 체내에 남아있는 탄소 14는 방사성 소멸 공식에 따라 감소하기 시작합니다.
방사성 탄소 연대 측정 방법은 기본적으로 방사성 잔류량을 측정하기 위해 고안된 방법 입니다.
샘플의 탄소 14 함유량을 측정하는 세 가지 기본 방법이 있습니다 – 가스 비례 계수기 (gas proportional counting), 액체 섬광 계수기 (liquid scintillation counting), 가속기 질량 분석기 (accelerator mass spectrometry).
방사성 탄소 연대 측정 기술인 액체 섬광 계수기 방법은 1960년대에 많이 사용했던 방법입니다. 이 방법은 샘플이 액체 상태여야 하며, 신틸레이터를 추가합니다. 신틸레이터는 베타 입자와 서로 작용하여 섬광을 만듭니다. 샘플이 담긴 유리병을 두 개의 광전 배증관 사이로 지나가게 하면, 이 장치에 섬광이 기록되면서 측정이 이루어집니다.
가속기 질량 분석 (AMS)는 방사성 연대 측정하는데 있어서 가장 효과적인 방법으로 알려진 최신 방사성 탄소 연대 측정 방법입니다. 이 방법은 탄소 14 함유량을 현존하는 탄소 12와 탄소 13와 서로 상대적으로 직접 측정합니다. 베타 입자를 세지 않고 샘플에 있는 탄소 원자 수와 동위 원소 비율을 측정합니다.
모든 물질로 방사성 탄소 연대 측정을 할 수 없습니다. 유기물질의 화합물은 전부는 아니지만 대부분 연대 측정할 수 있습니다. 껍질에 있는 아라고나이트 합성물 같은 몇몇 무기 물질은 대기권과 균형을 이루려는 탄소 14 동화 작용으로 인해 미네랄을 합성하는데, 이를 이용하여 연대 측정할 수 있습니다.
방사성 탄소 연대 측정 방법이 시작된 이후 연대 측정한 샘플은 다음과 같습니다. 석탄, 나무, 잔가지, 씨앗, 뼈, 껍질, 가죽, 토탄, 호수 진흙, 토양, 털, 도자기, 꽃가루, 벽화, 산호, 혈액 잔여물, 직물, 종이나 양피지, 수지, 물 등등.
실험 분석 전, 물리적, 화학적 사전 처리를 하여 오염 물질을 제거합니다.
정확한 연대를 알 수 없는 샘플의 방사성 탄소 연대 측정은 이 샘플의 탄소 14의 함유량을 측정하고, 최근 샘플과 기본 자료 샘플의 탄소 14의 활동 결과를 비교해 결정합니다.
방사성 탄소 연대 측정 실험실에서 사용하는 최근 표준은 미국 메릴랜드 주에 있는 미국 국립 표준 기술원 (the National Institute of Standards and Technology)에서 얻은 옥살 산 I입니다. 이 옥살 산은 1955년도 사탕무에서 왔으며, 옥살 산 I의 방사성 탄소 활동의 약 95%가 절대 기준이 되는 방사성 탄소(화석 연료 영향을 받지 않은 1890년 나무)의 활동 측정치와 일치합니다.
모든 옥살 산 I을 사용해 없어져서, 1977년도 프랑스산 사탕무에서 또 다른 표준을 만들었는데, 이 새 표준인 옥살 산 II은 방사성 탄소 함유량 면에서 옥살 산 I과 거의 같으며, 아주 미세한 차이만 있다는 것이 밝혀졌습니다. 수년에 걸쳐서 다른 두 번째 표준을 만들어 왔습니다.
기초 자료로 쓰이는 물질의 방사성 탄소의 활동을 결정하여 샘플 분석 결과의 오차를 제거합니다. 방사성 탄소 활동의 기초 자료를 측정하고, 얻은 값을 샘플의 결과에서 제합니다. 분석한 기초 자료가 되는 샘플들은 석탄, 갈탄, 석회석과 같이 보통 지질학적으로 엄청 오래된 물질입니다.
일반 방사성 탄소 나이 (CRA)로 방사성 탄소 측정값을 정합니다. CRA는 (a) Libby씨의 반감기 사용, (b) 최근 방사성 탄소 기준으로 옥살 산I 나 II 혹은 다른 적절한 이차 기준 사용, (c) 탄산염 기준인 VPDB에서 탄소 12와 탄소 13 비율에 상대적으로 -25.0 per mille의 정상 값이나 기준 값으로 샘플의 동위 원소 분류법 수정 – 사우스 캐롤리나의 피디에서 크레타 섬 전석 형성 과정, (d) 0 (zero) BP (Before present: 현재 전)을 서기 1950년으로 정함. (e) 전체적인 방사성 탄소 수준은 거의 일정하다는 가정으로 계산합니다.
방사성 탄소 연대 측정 결과 보고서에는 “±”값으로 오차 범위가 기록되며, 이 오차 범위는 통계적 의미를 가집니다.
미국의 물리 화학자 Willard Libby씨는 2차 세계 대전 이후에 방사성 탄소 활동 측정 방법을 개발하기 위해 과학자 팀을 짜서 이끕니다. 그는 방사성 탄소 혹은 탄소 14로 불리는 불안정한 탄소 동위 원소가 생물체에 존재하고 있다는 사실을 밝혀낸 첫 과학자였습니다.
Libby씨와 그의 팀은 유기물 샘플에서 처음으로 방사성 탄소를 탐지한 내용을 요약한 첫 논문을 발표합니다. 그리고 처음으로 방사성 탄소의 소멸 시간을 측정하고, 반감기가 5568년±30년이라는 것을 알아낸 사람도 Libby씨 입니다.
1960년, Libby씨는 방사성 탄소 연대 측정 방법을 개발한 노력을 인정받아 화학 분야에서 노벨상을 받습니다.
References:
1. American Chemical Society National Historic Chemical Landmarks. Discovery of Radiocarbon Dating (accessed October 31, 2017).
2. Sheridan Bowman, Radiocarbon Dating: Interpreting the Past (1990), University of California Press
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이 비디오 인용은 Beta 연구소 웨비나의 일부입니다: 동위원소 기초: 동위원소 분석 소개
