화석의 나이를 알아내는 방법

동위원소 방사성 붕괴 이용한 연대 측정법

멸종된 생물의 화석 등과 같이 아주 오래된 생물의 잔재를 발견했을 때 과학자들은 그 화석의 나이를 알아내기 위해 노력한다. 과학이 발달하기 전에는 그 잔재가 발견된 바위의 지층이나 주변의 물체를 분석하여 나이를 알아내려 했지만 이 방법은 매우 부정확했다. 하지만 지금은 동위원소 방사성 붕괴를 이용한 방법으로 오래된 생물 잔재의 정확한 나이를 손쉽게 알아내고 있다.

고생물학자들은 화석의 나이를 알아내기 위해 노력한다ⓒ윤상석

동위원소 방사성 붕괴를 이용한 연대 측정법의 원리     

동위원소 방사성 붕괴를 이용한 연대 측정법을 이해하려면 먼저 동위원소에 대해서 알아야 한다.

물질의 기본 단위인 원자 중심에는 양성자와 중성자로 이루어진 원자핵이 있다. 이 원자핵에 들어 있는 양성자 수에 따라 원자의 성질, 즉 물질을 이루는 기본 성분인 원소의 종류가 결정된다.

예를 들어 탄소 원자핵에 있는 양성자 수는 6개이고 산소 원자핵에 있는 양성자 수는 8개이다. 그런데 같은 원소라고 하더라도 원자핵에 있는 중성자 수가 달라 구조가 불안정한 것들이 있는데, 이것을 동위원소라고 한다.

또한 이 불안정한 원자핵 중에서 스스로 방사선을 방출하고 안정한 상태의 다른 종류의 원자핵으로 변하는 경우를 방사성 붕괴라고 한다.

탄소의 경우, 원자핵에 양성자 6개와 중성자 6개가 있는 ‘탄소12’가 안정된 원자이고, 탄소의 동위원소로 원자핵에 양성자 6개와 중성자 8개가 있는 ‘탄소14’도 존재한다.

탄소14는 불안정한 원자이기 때문에 방사성 붕괴를 일으켜 질소14가 된다.

그런데 방사성 동위원소 집단이 방사성 붕괴를 일으켜 그 원자 개수가 절반으로 감소할 때까지의 기간을 ‘반감기’라고 부른다. 탄소14의 반감기는 약 5730년이다. 어떤 물질 속에 들어 있는 탄소14의 원자 개수는 5730년이 지나면 그 절반으로 줄고, 다시 5730년이 지나면 또 절반으로 줄어 처음 원자 개수의 4분의 1이 된다.

따라서 어떤 화석에 있는 방사성 동위원소의 원래 양을 알고 그것이 현재 몇 %까지 감소했는지 안다면 그 동위원소의 반감기를 이용하여 화석이 만들어진 연대를 추정할 수 있다.

생물체 잔해에 남아있는 탄소14 절반이 방사성 붕괴를 일으켜 질소14로 변하는 데 5730년이 걸린다 ⓒ윤상석

고고학에서 많이 쓰이는 방사성탄소연대측정법   

연구에 의하면, 지구 대기에서 탄소14의 생성 비율과 방사성 붕괴 비율이 같아 대기 중에 존재하는 탄소12 원자와 탄소14 원자의 구성 비율은 일정하다고 한다. 우주 공간에서 지구 대기권으로 들어온 우주선과 대기 중의 분자가 충돌하면서 방출된 중성자들이 질소14와 충돌하여 끊임없이 탄소14를 만들기 때문이다.

따라서 지구 대기는 대략 탄소12 원자 1조 개에 탄소14 원자 1개의 구성 비율을 유지한다. 이러한 탄소12 원자와 탄소14 원자의 비율은 생물체 내에서도 일정하다. 모든 생물은 탄소로 이루어져 있고 대기에서 탄소를 공급받아 탄소를 끊임없이 교체하기 때문이다. 식물은 광합성을 통해 이산화탄소의 형태로 탄소를 공급받아 자신의 몸을 구성하므로 탄소12와 탄소14의 비율을 그대로 유지하고, 식물의 몸을 흡수하여 탄소를 공급받는 동물과 그 동물을 먹는 동물도 결국 같은 비율이 유지한다.

그런데 생물이 죽으면 더 이상 대기 중의 탄소를 흡수하지도 배출하지도 않는다. 그러면 시간이 지나면서 생물 내 탄소12와 탄소14의 비율에 변화가 생긴다. 불안정한 동위원소인 탄소14가 방사성 붕괴를 일으켜 질소14로 변하기 때문이다.

따라서 생물 유해나 화석의 탄소12와 탄소14 비율을 측정하여 대기 중의 그 비율과 비교하면 탄소14가 어느 정도 감소했는지 알 수 있고, 그 결과와 탄소14의 반감기를 이용하면 그 생물이 죽은 연대를 계산할 수 있다. 이 방사성탄소연대측정법은 고고학에서 나무나 씨앗, 동물 잔재의 나이를 측정할 때 널리 쓰이고 있다.

대기에서 생물 잔해까지 탄소14의 흐름. 탄소14의 비율은 대기와 생물체 내에서 일정하지만, 죽은 생물체 안에서는 그 비율이 변한다 ⓒ윤상석

훨씬 더 오랜 연대를 측정할 수 있는 칼륨아르곤법  

탄소14는 반감기가 짧아 6만 년이 지나면 측정하기 힘들 정도의 양만 남는다. 따라서 방사성탄소연대측정법으로 측정할 수 있는 연대 범위는 오차까지 생각해서 5만 년 이내이다. 결 국 공룡 화석과 같이 측정 범위가 5만 년이 넘는 경우에는 반감기가 긴 다른 방사성 동위원소를 이용해야 한다. 그래서 개발된 방법이 칼륨과 아르곤을 이용한 ‘칼륨아르곤법’이다. 칼륨에는 칼륨40이라는 방사성 동위원소가 있는데, 칼륨40의 12%가 방사성 붕괴를 일으켜 아르곤40으로 변한다. 반감기가 약 12억 5000만 년이기 때문에 방사성탄소연대측정법보다 훨씬 더 긴 연대를 측정할 수 있다.

칼륨아르곤법은 암석이 땅속에서 녹은 상태에 있다가 지표로 나와 식어 굳어질 때의 연대를 측정할 수 있다. 지표로 나온 암석이 식어 굳어지기 전까지는 암석과 대기 사이에서 기체인 아르곤이 출입할 수 있으므로 암석 속의 아르곤 동위원소의 비율은 대기와 같다.

그런데 암석이 식어 굳은 후에는 아르곤이나 칼륨이 출입할 수 없다. 따라서 암석이 굳은 후 시간이 지나면 암석 속의 칼륨40이 방사성 붕괴를 일으켜 아르곤40으로 변하므로 암석 속의 아르곤40의 비율이 대기보다 늘어날 것이다. 이 비율을 측정하고 칼륨40의 반감기를 이용하면 측정하고자 하는 암석이 형성된 연대를 측정할 수 있다.

이 밖에도 우라늄 동위원소인 우라늄238과 우라늄235의 방사성 붕괴를 이용한 연대 측정법이 있는데, 우리늄238의 반감기는 약 44억 6800만 년이기 때문에 지구가 탄생했던 시기의 연대까지 측정할 수 있다.