고대 유물의 연대 측정의 원리 - 탄소 연대 측정

사해 부근에서 1947년 양치기들이 구약성서가 히브리어로 적혀져 있는 파피루스와 양피지를 발견했습니다. 종교적이나 역사적으로 중요한 내용이 적혀있어서 연대를 몹시 알고 싶어했습니다.
워낙 잘 보존되어있었기 때문에 학자들은 최근에 만들어졌다는 의심을 했지만 윌러드 프랭크 리비교수가 탄소 연대측정방법을 사용하여 발견한 시점으로부터 1950년 정도 이전의 문서임을 확인했습니다.

사해두루마리

사해두루마리(출처:위키미디어, by Osama Shukir Muhammed Amin)

반감기

방사성물질의 핵은 자연붕괴하면서 일정기간이 되면 핵의 개수가 반으로 줄어듭니다. 이 기간을 반감기라고합니다.
자연에 가장 많은 탄소는 원자번호가 6번이면서 원자질량이 12입니다. 원자번호가 6번이면서 질량이 다른 동위원소는 11, 12, 13, 14의 네가지 종류가 있습니다. 탄소연대 측정에 사용하는 탄소는 원자의 질량이 14입니다.

반감기

5730년이 지날 때마다 탄소의 개수가 반으로 줄어듭니다. 질량수가 11인 탄소는 반감기가 20분 정도이기 때문에 몇천년 동안에는 거의 남아 있지 않아서 측정하기가 편하지 않습니다.
예를 들어 50년 정도 이전의 시료의 경우에는 반감기가 12.3년인 삼중수소를 사용할 수 있습니다.

연대측정방법

원래 질량수 14인 탄소의 개수를 알고 있다면 반이 되었다면 5730년이 지났다고 할 수 있지만 원래의 개수를 모르면 반감기를 알고 있더라도 연대를 추정할 수 없습니다.
대기중에는 질량수 12인 탄소가 약 10의 12제곱 개중 한 개가 질량수 14인 탄소입니다. 호흡을 하고 있는 나무나 동물의 경우 살아있을 때는 이 비율을 유지하고 있습니다.
호흡하고 있는 동안에는 탄소 1몰에 6×10의 23제곱 개의 질량수 12인 탄소와 약 6×10의 11제곱 개의 질량수 14인 탄소가 있게 됩니다. 여기서 10의 3제곱은 1000을 나타내고 있습니다. 
하지만 생명체가 죽으면 붕괴하지 않는 질량수 12인 탄소의 개수는 변하지 않고 14인 탄소만 붕괴해서 감소하게 됩니다.
탄소 1몰에 3×10의 11제곱 개의 질량수 14인 탄소가 있는 나무 상자가 있다면 5730년 전에 만들어 졌다고 추정할 수 있습니다.
추정 시기와 유사한 반감기를 가지고 있는 방사능 물질을 사용하면 연대를 추정할 수 있습니다.


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