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Half-life and Radioactive Dating

Radioactive decay can be used to measure the age of rocks and fossils.

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반감기와 방사선 연대측정

미국 그랜드캐년의 암석층과 콜로라도강

이 사진의 미국 그랜드캐년은 콜로라도 강물이 수백만년에 걸쳐 만들어내 천연의 조각 작품이다. 노출된 암석의 아래 부분은 거의 20억년 전에 형성되었으며, 윗 부분의 암석은 약 2억 3천만년전에 형성된 젊은 층이다. 이 암석의 위에서 아래까지에는 15억년 이상에 걸친 이 지역의 지질학적 역사가 간직되어 있다.    

Q:  과학자들은 그랜드캐년 암석의 나이를 어떻게 측정하였나?

A:  그 나이는 방서성 동위원소의 점진적인 붕괴를 바탕으로 측정하였다.  

방사선 연대측정

방사성동위원소는 암석뿐 아니라 화석이나 오래전 인류가 만든 인조물의 연대를 측정하는데도 사용된다. 심지어는 지구의 나이도 방사성동위원소를 기반으로 추정한 것이다. 이러한 일반적인 방법을 방사선 연대측정 ( radioactive dating) 이라 한다. 방사선 연대측정을 이해할 수 있기 위해서는 먼저 방사성동위원소와 방사선 붕괴를 이해해야 한다.  

방사성동위원소와 방사성 붕괴

방사성동위원소는 불안정한 원자핵을 가지고 있으며, 이 불안정한 원자핵은 자연적으로 붕괴된다. 이 붕괴를 통해 이들은 에너지와 입자를 잃고 더 안정해진다. 원자핵이 붕괴될 때 이들은 양성자를 얻거나 버리기 때문에 다른 원소로 변환된다. 원래의 불안정한 원자핵을 어미 원자핵이라 부른다. 이 어미 원자핵이 입자(이 경우에는 알파입자)를 잃으면 아래 그림애서와 같이 양성자 수가 어미 원자핵과 다른 딸 원자핵이 된다.  

[방사선 붕괴] 어미 원자핵 -> 딸원자핵 + 알파입자.

특정 방사성동위원소는 온도, 압력 등 원자핵 외부의 조건에 무관하게 일정한 속도로 붕괴한다. 이 붕괴의 속도를 반감기라 하는데 이는 방사성 동위원소가 다른 원소로 붕괴하여 그 양이 반으로 되는 시간이다.  

Q:  방사성동위원소의 반감기가 암석의 연대측정에 어떻게 이용되나?  

A:  암석이 형성된 후 암석안에 있는 방사성동위원소가 붕괴되기 시작한다. 붕괴가 진행되면 원래의 또는 어미 동위원소의 양이 감소되고 이 붕괴의 안정한 산물인 딸 동위원소의 양은 증기된다. 어미 동위원소아 딸 동위원소의 상대적인 비와 반감기로부터 과학자들은 어미 동위원소가 얼마나 오래 붕괴되었는지를 산출하여 이로부터 암석의 나이를 추정한다. 

반감기

방사성동위원소에 따라 반감기가 아래 표의 예에서와 같이 서로 다르다. 반감기가 간 방사성동위원소는 역사가 긴 암석이나 표본의 연대측정에 이용된다. 반면에 반감기가 짧은 방사성동위원소는 역사가 짧은 것의 연대측정에 이용된다. 예를 들어 그랜드캐년의 아랫쪽 암석의 연대는 암석 중의 칼륨-40의 양을 측정하여 알아 냈다. 반면에 탄소-14 연대 축정은 그랜드캐년의 암석보다 훨씬 젊은 연대축정에 이용된다.   

어미 동위원소 딸 동위원소 반감기
칼륨-40 아르곤-40 13억년
우라늄-235 납-207 7억년
우라늄-234 토륨-230 80,000 년
탄소-14 질소-14 5,700 년

탄소-14 연대 측정

우리에게 가장 친숙한 방사선 연대측정은 탄소-14의 연대측정이다. 탄소-14 동위원소는 우주선이 공기 중의 질소-14와 충돌하여 자연적으로 대기중에 형성된다. 살아있는 생물체는 탄소-12와 함께 탄소-14를 섭취하고 이용한다. 생물체 내의 탄소-14는 점진적으로 질소-14로 붕괴된다. 그러나 탄소-14가 붕괴되지만 생물체가 계속 이를 섭취하기 때문에 그 양이 보충이된다. 그 결과 생물체가 살아 있는 한 그 내부의 탄소-12에 대한 탄소-14의 비가 일정하게 유지된다. 이것이 아래 그림의 윗쪽에 예시되어 있다.  

일단 생물체가 죽으면 그들이 가지고 있던 탄소-14는 게속하여 붕괴하지만 아래 그림에서와 같이 이것이 더이상 보충되지 않는다. 따라서 죽은 유기체 내의 탄소-14의 양은 그 반감기의 속도에 따라 계속 감소한다. 탄소-14의 양이 반으로 줄어드는데 필요한 기간은 그 반감기인 5,700년이다. 만일 탄소-14가 화석에 얼마나 남아 있는지를 측정한다면 그 생물체가 죽은 다음 반감기의 몇 배에 해당하는 시간(즉, 몇 년의 기간)이 흘렀는지를 구할 수 있다. 다음 사이트에 탄소-14의 연대측정법이 비디오로 예시되어 있다. : http://www.youtube.com/watch?v=udkQwW6aLik

[탄소-14와 생물체] # 살아있는 동안: 붕괴되는 탄소-14의 양이 섭취하는 양과 같다. # 죽은 다음: 탄소-14가 섭취되지 않고 붕괴만 일어난다.

Q:  왜 탄소-14 연대 측정은 6만년 이상된 표본에 사용할 수 없나?  

A:  탄소-14의 반감기는 5700년 이다. 60,000년 후에는 표본의 탄소-14 잔여량이 너무 적어져 측정이 어렵기 때문이다.    

요약

  • 암석이나 다른 표본의 나이는 거기에 포함된 방사성동위원소의 잔여량과 방사성 원소의 반감기로부터 측정이 가능하다. 이를 방사선 연대측정법이라 한다. 
  • 반감기가 긴 방사성동위원소는 역사가 긴 표본에 사용하고 역사가 짧은 표본에는 반감기가 짧은 방사성동위원소를 사용한다. 
  • 탄소-14 연대 측정은 표본의 나이가 6만년 이하인 것에 사용한다. 이는 주로 생물체의 화석이나 인조물의 연대 측정에 이용된다.   

용어

  • 방사선 연대측정(radioactive dating) : 방사성동위원소의 붕괴를 바탕으로 화석이나 암석의 연대를 측정하는 방법 

연습

다음 사이트에서 방사선 연대측정 게임을 하고 아래의 질문에 답하라.  . http://phet.colorado.edu/en/simulation/radioactive-dating-game

  1. 탄소-14의 반감기는 얼마인가? 우라늄-238의 반감기는 얼마인가?
  2. 탄소-14와 우라늄-238의 붕괴 속도를 비교하라. 탄소14의 표본 75%가 붕괴되는데 걸리는 시간은 얼마인가? 우라늄-238의 표본 75%가 .붕괴되는데 걸리는 시간은 얼마인가? 이 붕괴 시간은 표본에 들어있는 원자의 수와 관련이 있는가? 
  3. 탄소-14의 표본은 10,000 년 후에 몇 %로 줄어드나? 우라늄--238이 이 정도 붕괴되는데는 얼마나 걸리나?   
  4. 암석의 연대를 측정하는데 왜 탄소-14를 이용하지 않는가?

복습

  1. 방사선 연대축정이란 무엇인가?
  2. 위 사이트의 방사성동위원소표에서 약 5억년으로 추정되는 화석의 연대를 측정하려면 어떤 원소를 사용하는 것이 적절할까? 이를 선택한 이유를 써라.  
  3. 생물체가 살아있는 동안에는 왜 탄소-14의 양이 일정한가? 그 생물체가 죽은 다음에는 왜 그 양이 변하는가?  

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