[발췌] 고고학 세계로의 초대- 방사성탄소 연대측정법

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[발췌] 고고학 세계로의 초대- 방사성탄소 연대측정법

오디세이 0 2,298 2003.03.21 01:41

ㅇ 방사성탄소 연대측정법

1949년 물리학자 J.R.아놀드와 W.F.리비에 의해 개발된 "방사성탄소 연대측정법(radiocarbon dating)"은 계년식 연대측정법 중에서 가장 잘 알려져 있다. 우주선은 중성자를 만들어내며 지구의 대기권으로 들어와서는 질소원자와 반응하여 탄소동위원소 14C, 즉 방사성탄소를 만들어내는데, 보통의 탄소는 핵에 6개의 중성자를 갖고 있는 데 반해 이 14C는 8개의 중성자를 가지고 있다. 이처럼 중성자가 더 많은 핵은 불안정하여 쉽게 방사성 붕괴를 한다. 아놀드와 리비는 어떤 표본이라도 그 속에 뜬 14C가 절반으로 줄어드는 데 걸리는 시간, 즉 이른바 반감기를 5,568년이라고 계산하였다. (이제는 그 반감기가 좀더 정확하게 5,730년으로 측정된다.)

14C 동위원소는 화학적으로는 보통의 탄소(12C)와 똑같이 반응한다고 믿어지고 있다. 14C는 12C와 더불어 대기중의 이산화탄소 속으로 들어간다. 살아 있는 식물은 대기중의 이산화탄소를 이용해 광합성 작용을 함으로써 자체의 유기물질을 축적하므로 살아 있는 식물이나 그것을 먹는 동물 모두 체내의 14C 대 12C의 비율은 대기중의 그 비율과 동일하다. 그런데 어떤 생물체가 죽으면 방사성탄소가 더 이상 몸속에 들어가지 않으면서 그 죽은 생물체 속에 들어 있던 방사성 탄소는 자연 붕괴를 계속하므로 5,730년 후가 되면 원래 있던 양의 절반 만이 남게 되고, 11,400년 후가 되면 양의 1/4가 남고, 그런 식으로 계속 감소하게 된다. 그러므로 어던 동물이나 식물 유체에 남아 있는 14C의 양을 재보면 그 생물체가 죽은 뒤 흐른 시간을 판정할 수 있다. 원래 있었던 양과 지금 남은 양의 차이를 계산함으로써, 그리고 그 차이를 알려진 붕괴율과 비교함으로써 그간 흐른 시간을 계산할 수 있는 것이다. 최신 탄소 표본 중의 14C의 양은 1분에 1그램 당 대략 15개의 비율로 입자를 방출하는 수준이다. 그 반의 방출량을 가진 표본은 원래 있던 방사성 물질의 반이 붕괴하는 데 걸리는 시간, 즉 14C의 반감기인 5,730살인 것이다.

14C 연대가 실험실에서 나올 때는 통계학적인 ±가 붙는다. 예를 들어서 3,600±200년(200년은 1시그마의 표준편차를 나타냄)은 올바른 연대가 3,400~3,800년 전 사이일 확율이 셋중 둘이라는 뜻이다.  만약 표준편차를 두배로 하면 3,200년~4,000년전 사이에 들 확율이 19/20 가 된다.이처럼 방사성탄소 측정연대는 기실은 통계학적인 근사치라는 점을 반드시 인식해야 한다.
(오디세이 주 : 공대나 통계학을 배우신 분들은 아시겠지만, ±1시그마는 표준정규분포에서 66.7%범위를 말합니다. 맞지요?? 헤헤 .. 저두 기억이 가물..±2시그마는 90몇 %,±3시그마는 대략 95% 정도되는 것으로 기억되는 군요...보통 ±3시그마 수준에서 검정을 많이 하지요...제 기억이 맞다면...모집단과 표본사이의 보다 복잡한 관계가 있는데...저도 잘 기억안나고, 대딩때 통계학 점수가 그다지 좋지 않은 관계루.. 여기서 이만...ㅋㅋ )

방사성탄소 연대측정법 표본은 숯, 불탄 뼈, 조가비, 터럭, 나무와 같은 여러 가지 유기물질에서 채취할 수 있다. 표본 자체는 연대측정되는 지점을 명확히 하거나 특정 유구를 측정할 수 있도록 특정한 층서적 정황들로부터 세심한 주의를 기울여 채취한다. 연대측정 연구소들은 14C 표본의 연대를 재는 데 오랫동안 베타선 붕괴율을 이용해왔다. 이제는 "가속질량분석법(AMS)"을 이용하는데, 이 방법은 방사성 붕괴의 수가 아니라 14C 원자의 수를 직접 잼으로써 방사성탄소 연대측정을 하는 것이다. 이는 측정에 필요한 표본이 아주 작어도 되기 때문에 나무의 나이테 한 줄로도 측정할 수 있다.

가속질량분석법에 의한 연대측정법은 특히 뼈 교원질의 아미노산을 연대측정하는 데 유용하지만 거의 모든 물질, 이를 테면 금속 창끝의 자루 구멍에 낀 아주 작은 나무 조각의 연대까지도 측정할 수 있도록 해준다. 예를 들어 미국 남서부의 동굴에서 나온 선사시대 옥수수의 속대를 직접 연대측정할 수 있다. 이는 그저 공반의 원리를 이용해서 연대가 측정된 유구나 유리된 숯 표본에 그 속대를 연계하는 방법보다 초기농경의 연대를 재는 데 휠씬 나은 방법이다. AMS 연대측정은 아메리카 대륙의 초기 농경의 연대를 재는 데 혁명을 일으킨 바 있다. 예를 들어 연구자들은 재래식의 방사성탄소 연대측정법을 이용하여 옥수수 농경이 멕시코 테우아칸 분지에서 처음으로 등장하는 연대가 늦어도 5,000년이라고 추정하였다. 그런데 초기 옥수수 속대의 실물에 대한 AMS 연대는 옥수수 재배의 개시가 기원전 약 2,700년경보다는 이르지 않음을 보여주고 있다. 반명에 시리아의 유프라테스 강 양안 지역의 농경의 개시 연대는 곡물 낱알들로 측정해 보니 기원전 약 8,800년으로 나온 바 있어서 이전에 추정했던 것보다 여러 세기 빨랐음을 말해준다.

방사성탄소 연대측정법의 실제 측정 한계는 4만년에서 6만년사이이다. 연구자들은 그간 입자 가속기로 14C원자를 직접 탐지해내려고 노력해왔다. 이는 방사성탄소 연대측정의 한계를 무려 10만년전까지 확대할 수 있는 기법이지만 현재로서는 그 한계가 7만년전 전후인데, 그 이유는 식물 뿌리들이 흙 속에서 일으키는 오염때문이다.

아놀드와 리비는 처음으로 방사성탄소 연대측정법을 개발할 때 자신들이 얻은 연대값들을 연대가 알려진 물건들, 예컨대 고대 이집트의 배에서 얻은 연대와 비교하였다. 그들은 그 결과를 근거로 방사성탄소  측정 연대가 고고학자들의 목적에 충분히 부합할 정도로 정확하다는 주장을 할 수 있었다. 하지만 그로부터 25년 정도가 지나 고고학자들이 드디어 과거를 연대측정하는 데 정확하고 믿을 만한 수단을 얻었다고 생각하게 되었을 때, 수명이 아주 긴 캘리포니아 브리슬콘 소나무의 나이테를 측정한 방사성탄소 연대가 몇 개가 발표되었다. 그런데 방사성탄소 연대측정법으로 기원전 1,200년 이전으로 측정된 나무들의 방사성탄소 연대가 일관되게 나이테 연대보다 어리게 나온다는 사실이 판명되었다. 그리하여 대기 중의 방사성탄소 농도가 시간의 흐름과 관계없이 일정해서 표본이 살아있던 선사시대에도 오늘날의 생물체에 들어 있는 것과 같은 양의 방사성탄소가 있었을 것이라고 본 리비의 가정이 잘못되었음이 드러났다. 실제로는 지구 자장의 세기 변화와 태양 활동의 변화가 대기와 생물체 내의 방사성탄소 농도에 상당한 변이를 일으켜왔던 것이다.

하지만 다행스럽게도 유럽의 오크 나무를 바탕으로 한 연륜 연대측정법이 초기의 수천년에 대해 아주 정확한 절대 연대를 제공하기 때문에 기원전 약 9,000년까지 거슬러 올라가는 방사성탄소 측정연대들을 나무 나이테 연대에 연계해 보정함으로써 바르게 고칠 수 있다. "그림 5.6" (책에서 제공됨.. -.,-;;)을 보면 지난 1만년간에 걸친 14C측정연대의 정확도 변화를 나이테 보정 연대에 대비하여 어느 정도 알 수 있을 것이다. 최근에 과학자들은 우라늄과 토륨으로 자연 붕괴하는 사실을 근거로 아주 정확한 새로운 기법을 이용하여 카리브해 바르바도스 근처의 화석산호를 연대측정한 바 있다. 그들은 그 연대에서 오차의 폭이 점점 커짐을 발견하였는데, 이른 연대 쪽에서는 그 차이가 5천년까지나 되었다. 그래서 약 1만년 이전의 방사성탄소연대는 거의 근사치에 지나지 않는다고 보아야 한다.

방사성탄소 연대측정법은 편년상의 제약과 기술상의 제약에도 불구하고 엄청나게 중요하다. 14C 표본은 열대 아프리카의 일부 석기시대 사회를 5만년 이전으로 연대측정해 내고, 북미 평원의 고인디언 들소 포살 유적의 연대를 기원전 9,000년 이전으로 측정해낸 바 있다. 또 구대륙과 신대륙의 농경 및 문명의 기원에 대한 편년도 제공하고 있다. 방사성탄소 측정연대는 진정한 의미의 범세계적 편년체계를 구축하는 수단이며, 이 체계는 중국과 페루처럼 멀리 떨어진 지역에서 일어난 문자문명의 탄생과 같은 중요한 사건들을 동등하게 다룰 수 있도록 해준다. 약 4만년전부터 역사시대까지의 선사의 연대측정은 거의 전적으로 방사성탄소 연대측정법에 의존하고 있다.color=blue>





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