방사성탄소 (C14, 탄소14) 분석에 대하여

  • 방사성탄소 혹은 탄소14은 최근에 죽었거나, 현재 살아있는 모든 물체에 존재합니다.
  • 5만년 이상이 된 물체에는 방사성탄소가 없습니다.
  • ASTM D6866은 방사성탄소 연대측정 기법을 산업에 응용한 것입니다.

여기서는 방사성탄소 연대측정에 대하여 간단히 설명합니다. 설명 범위를 넘어서는 여러 예외 조항들이 있지만 여기서는 생략합니다.

방사성탄소 (탄소 14, C14, Radiocarbon) 이란?

탄소는 생명의 기본이며, 모든 살아있는 것에 존재합니다.

방사성탄소라고도 불리는 탄소14는 탄소의 동위원소로서 불안정하며, 약한 방사성을 띄고 있으며, 살아있는 모든 생명체에 아주 미세 량 존재합니다. 방사성이 있는 관계로 시간이 지나면서 점차 소멸하여 결국에는 모두 없어집니다. 방사성탄소 연대측정이란 이 탄소 14가 어떤 물질 (혹은 어떤 사람)이 살았던 시점을 보여준다는 것을 이용한 것입니다.

탄소 14는 지구의 상층부에서 생기는데, 태양의 방사성 폭발로 생긴 중성자들이 공기에 있는 질소와 충돌하면서 생성됩니다. 이 충돌로 인해 반응이 일어나 질소가 탄소 14로 변합니다. 이 탄소 14는 생성되면서 바로 방사성이 반감하기 시작하여 소멸되면서, 동시에 계속 발생하기 때문에 공기 중의 이 탄소 14의 량은 일정하게 유지됩니다.

이 방사성탄소는 대기 중에 있는 산소와 반응하여 이산화탄소(CO2)가 됩니다. 이렇게 생긴 이산화탄소는 공기에 급하게 섞여 식물들이 광합성을 하기 위해 흡수합니다. 이 과정은 계속해서 꾸준히 일어나므로 어떤 시점에서 살아있는 식물 내의 탄소14 량과 이 식물이 살아 가는 대기 중의 탄소 14의 량은 거의 같이 유지됩니다.

살아있는 식물은 먹이 사슬에서 아주 중요한 구성 성분입니다. 동물들은 이런 식물들이나 혹은 다른 동물을 잡아 먹으며, 인간은 이런 식물들과 동물들을 먹습니다. 따라서 모든 살아있는 식물들, 동물들, 사람들 모두 같은 시점에 같은 량의 탄소 14을 가지고 있으며, 우리는 이것을 공기 중에 탄소 14가 “평형”을 이룬다고 합니다. 비록 탄소 14의 방사성으로 인해 계속 반감하지만, 광합성 작용이나 다른 음식을 섭취하면서 거의 일정한 량을 유지하여 평형을 이룹니다.

식물이 이산화탄소 흡수를 멈추거나 (식물의 죽음) 동물이나 사람이 먹는 것을 멈추면 (동물이나 사람의 죽음) 탄소 14의 흡수 역시 멈추면서 그 평형 상태가 깨집니다. 그 시간 이후부터는 새로운 탄소 14의 흡수는 없으며, 체내에 있는 방사성 탄소가 반감기에 따라 줄어들며 결국에 남아있던 모든 탄소 14는 없어지게 됩니다. 이 원리는 사람이 죽었거나 옥수수 줄기가 잘렸거나, 콩의 뿌리가 뽑혔을 때에도 동일하게 적용됩니다. 죽게 되면 주변에 있던 탄소 14의 흡수를 멈추고 체내에 남아있는 탄소 14의 량은 서서히 줄어듭니다.

방사성탄소 연대측정 (Radiocarbon Dating)

방사성탄소 연대측정 실험실은 화석에서 남아있는 탄소 14의 량을 측정할 수 있습니다. 그리고 이 량을 가지고 그 화석이 마지막으로 탄소를 흡수(음식물 섭취나 식물의 광합성 작용)했던 마지막 시기를 결정합니다. 방사성탄소에는 반감기라는 것이 있습니다. 반감기란 방사성의 량이 원래 상태의 반으로 줄어드는 것을 말합니다. 방사성탄소의 반감기는 대략 5700년이며 이 말은 매 5700년 마다 방사성탄소의 량이 반으로 줄어든다는 것입니다. 또한 만약에 죽은 식물의 방사성탄소가 살아있을 때의 50%만 가지고 있다면, 이 죽은 식물은 5700년 전에는 살아있었다는 것을 보여줍니다.

약 5만년 정도 지난 화석에는 방사성탄소가 하나도 남아있지 않습니다. 방사성의 반감기에 따라 완전히 소멸된 것입니다. 따라서 방사성탄소 연대측정이란 화석에서 방사성탄소가 하나도 남아있지 않다면 이 화석의 나이가 5만년 이상이라는 것을 알게 되는 것입니다. 석유나 공룡의 화석 등은 방사성탄소가 그 안에 하나도 남아있지 않는 경우입니다.

방사성탄소 연대측정과 ASTM D6866

방사성탄소 연대측정은 제조된 상품의 바이오 매스 함량을 측정하는데 이용할 수 있습니다. 그 이유는 그 상품 안에 화석 연료에서 온 물질과 바이오 매스에서 온 물질이 섞여 있기 때문입니다. 이 목적으로 개발된 표준 실험 방식이 ASTM D6866입니다.

원리는 바이오 매스 물질은 방사성탄소를 가지고 있는 반면에 화석 연료 물질은 방사성탄소를 가지고 있지 않다는 것입니다. 따라서 어떤 상품 안에 방사성탄소를 가지고 있는 물질이 있다면 이 모든 방사성탄소는 바이오 매스 물질에서 온 것입니다. 바이오 매스 물질과 화석 연료 물질이 섞여있는 제품의 경우, ASTM D6866 실험을 통해서 방사성탄소의 함량을 측정하면 바이오 물질과 화석 연료 물질이 얼마만큼 섞여 있는지 정확히 알 수 있습니다.

예: 석유에서 온 폴리에틸렌 100%로 만든 제품의 경우 ASTM D6866 실험 결과는 바이오 매스 함량이 0%이며, 반면에 바이오 매스로 된 폴리에틸렌의 경우 ASTM D6866 실험 결과는 바이오 매스 함량이 100%입니다.

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