방사성 탄소연대측정법 radiocarbondating
분야
hwp1. 리비(Willard F. Libby, 1908~1980)
버클리에 있는 캘리포니아대학교에서 박사학위를 받고, 1933~45년 그곳의 교수로 있었다. 1941~45년 맨해튼 계획에 참여해 원자폭탄 제조 필수공정의 하나인 우라늄 동위원소 분리법을 개발하는 것을 도왔으며, 그 뒤 시카고대학교의 핵연구소에서 일했다(1945~59). 1946년 그는 수소의 동위원소 중에 가장 무거운 삼중수소가 우주복사(宇宙輻射)에 의해 만들어진다는 것을 증명했다. 그 다음해 그는 학생들과 함께 방사성탄소연대측정법을 개발했다. 1960년 고고학ㆍ인류학ㆍ지구과학을 연구하는 데 매우 값진 수단이 된 방사성탄소연대측정법을 개발한 공로로 노벨 화학상을 받았다. 그는 1955~59년 미국원자력 위원회에서 일한 뒤 로스앤젤레스의 캘리포니아대학교 화학교수가 되었다. 그의 저서로는 〈방사성탄소연대측정법>(1952)이 있다.
2. 방사성연대측정법의 이론
안정상태의 탄소는 원자량이 12인데 대기 중의 탄소의 일부는 외계에서 오는 우주선(cosmic ray)의 작용으로 원자량 14의 동위원소로 바뀌게 된다. 따라서 식물은 광합성 작용을 통해 계속적으로 C¹⁴을 받아들이므로 대기권 속의 C¹⁴농도와 평행을 이룬다. 동물도 음식물연쇄에 의하여 식물과 연결되므로 같은 조성을 가진다. 한편 대기권 중의 C¹⁴은 바다 속으로도 용해되어 들어가므로 해양의 생물체 역시 C¹⁴을 흡수하게 된다.
유기물이 일단 생명을 잃으면 호흡을 중지하게 되어 대기로부터의 탄소의 공급이 중지되는데 이때부터 C¹⁴는 서서히 붕괴되어서 질소(N¹⁴)로 변화한다. 따라서 현재 살아있거나 존재하는 생물체의 C¹⁴의 양을 측정하여 비교하면 그 유기물이 생명을 잃은 때부터 현재까지 흐른 시간을 계산할 수 있을 것이다. 이때, 방사선의 양이 절반으로 감소하는데 걸리는 기간으로 1951년에 리비에 의해 5568±30년으로 사용되었으나, 그 뒤 1962년에 국제회의에서 5730±40년이 가장 믿을 수 있는 연대로 받아들여졌다. 그리고 C¹⁴연대의 기준 연대(B.P.의 기준 연대)를 1950년으로 설정하였다. 리비는 계산상의 편의를 위하여 현재의 시점을 1950년으로 확정하였고, 방사성탄소연대가 이렇게 결정된 현재로부터 얼마 전(before present)인가를 표시하기 위하여 BP라는 용어를 사용하였다. 따라서 모든 방사성탄소연대치는 ‘xxxx BP’ 라는 식으로 표시되는 것이며, 우리가 사용하는 달력상의 연대로 환산하기 위해서는 1950년을 시점으로 역계산해야 한다.(ex. 2050 BP라면 1950년을 기준으로 2050년 전이니 2000년을 기준으로 하면 2100년 전이 된다) 그 당시 대기 속에 있다고 알려진 세가지 다른 형태의 탄소를 기준으로 삼는다는 일반적인 합의가 있었기 때문이다.
3. 이론의 오차
대기 중에 존재하는 탄소 C¹⁴의 상대적인 양은 시기에 따라 편차를 보이기 때문에, 이 방법으로 측정된 연대들은 역년과 정확히 일치하지는 않는다. 이 편차를 구하는 연구가 1970년대 이후로 활발하게 연구되었다. 리비도 나이테 자료를 이용해 방사성탄소연대를 검증해 보았고 그 결과 실연대와 대체로 일치한다고 주장하면서, 다만 고대 이집트 역사 자료의 방사성탄소연대가 실연대보다 낮게 나타남을 시인하고 당시 C¹⁴농도가 현재보다 다소 높았다고 보았다. 그러나 그는 반감기가 새로 5730±40년으로 밝혀짐에 따라 그 차이가 줄어들 것으로 기대하였다. 그 후 미국의 캘리포니아대학, 아리조나대학, 펜실베이나대학 등지에서 각각 나이테 자료를 바탕으로 C¹⁴연대와 실연대사이의 차이를 연구하였으며 영국의 클라크(R.M.Clark)도 그 편차를 수정하는 방법을 제시하였다.
4. 시료의 채집과 측정 방법
시료의 채집은 방사성탄소연대측정법에서 가장 주의 깊게 취급해야 할 점이다. 오염된 시료로 측정된 C¹⁴연대는 오차가 클 뿐만 아니라 그 오차의 정도를 전혀 짐작할 수가 없기 때문이다. 오염이 되는 주요 원인은 자연발생적인 것과 시료를 취급하는 과정에서 유발되는 것이다.
오염을 최대한 방지하는 바람직한 시료의 채집은 다음과 같다. 첫째, 시료는 주거지에서 출토된 목탄이나 동물뼈, 패총의 패각, 무덤 속의 나무관이나 인골 등과 같이 유적과 직접 관련이 있어야 하고, 채집될 때 확실한 층위나 위치를 가진 것으로서 그 어떤 외부적인 영향을 받지 않은 시료가 적합하다. 둘째, 방사성탄소연대측정 시에 필요한 시료의 종류나 양이 연구소나 측정 장치에 따라 다르기 때문에 충분히 준비되어야 한다. 셋째, 시료가 채집도 시에는 가능한 노출을 피하고 불순물은 핀셋으로 모두 제거하고 바로 플라스틱 용기에 넣어 밀봉하여야 한다. 그밖에 시료를 연구소에 의뢰할 때에는 그 시료에 대한 모든 기록을 동봉하여야 한다.
시료를 측정하는 방법은 지난 50년 동안 많은 진전이 있었다. 즉, 최초에는 고체탄소의 방사능을 측정하였으나 기체시료측정법, 액체시료측정법이 점차 개발되었고, 측정 가능 연대도 40,000~50,000년 전까지 올라갈 수 있었다. 최근에는 측정 오차를 줄이고 측정 가능한 연대도 올릴 수 있는 방법이 개발되고 있다. 즉, 1997년 처음 소개된 것으로 고도로 정밀한 질량분석이온빔가속기(AMS)를 이용하여 원자를 직접 헤아리는 방법이 있다.
[참고문헌]
ㆍ최성락. 《고고학입문》, 학연문화사, 2005
