화석의 나이를 알 수 있는 방법과 원리

얼마 전 2023년 1월 27일에 ‘포황 금광리 신생대 나무화석’이 우리나라 국가지정문화재 천연기념물로 지정 고시되었다. 이 나무화석이 잘 보존되어 있어 약 2000만 년 전 한반도의 식생과 퇴적환경을 파악할 수 있다고 한다. 나무화석이 2000만 년 전에 만들어 진 것을 어떻게 알 수 있는지 화석의 나이를 측정하는 방법을 알아보자.

 

시간 경과에 따른 방사선 동위원소 붕괴

화석의 나이를 측정하는 대표적인 방법으로 탄소연대측정법이 있으며 이 방법을 이해하기 위해서는 방사선 동위원소의 개념을 알아야 한다. 물질의 기본적인 최소 입자인 원자의 중심에는 양성자와 중성자가 결합된 원자핵이 있다. 이 양성자의 수에 따라 원자로 구성된 원소의 종류가 결정된다. 동위원소는 원자의 양성자 수가 같지만 중성자수는 다른 원소들을 말한다. 예를 들어 ‘탄소12’는 원자핵에 양성자 6개와 중성자 6개가 결합된 원소이지만 ‘탄소14’는 양성자 6개와 중성자 8개가 결합된 동위원소이다. 그런데 ‘탄소14’는 원자핵 내 구조가 불안정한 상태라서 스스로 방사선을 방출하여 안정한 상태의 다른 종류의 원자‘질소14’로 되려고 한다. 이러한 ‘탄소14’를 방사성 동위원소라고 한다.

 

방사선 동위원소로 구성된 물질이 방사선을 방출시켜 물질의 구성성분이 절반으로 감소하는데 필요한 기간을 반감기라고 한다. ‘탄소14’의 반감기는 약5730년으로 어떤 물질 안에 있는 ‘탄소14’가 약5730년이 지나면 ‘탄소14’의 원소 개수 절반이 ‘질소14’로 바뀌어 감소하게 된다.

 

대기 안에 있는 ‘탄소12’와 ‘탄소14’는 일정한 비율로 존재

‘탄소14’는 시간이 지나면 방사성 붕괴로 ‘질소14’로 바뀌어 없어지지만 우주에서 24시간 계속 내리쏟는 에너지 ‘우주선’이 질소에 부딪혀 ‘탄소14’가 끊임없이 생겨나기 때문에 실제로 ‘탄소14’의 비율이 일정하게 유지되는 것으로 알려져 있다. 즉 대기 안에 있는 ‘탄소12’와 ‘탄소14’의 비율도 일정하다.

 

모든 생물의 구성성분인 탄소를 이용한 화석의 나이 측정

모든 생물은 탄소로 구성되어 있으며 살아 있는 동안의 생물체 내 탄소는 끊임없이 대기의 탄소와 순환되고 있다. 식물은 광합성을 통해 이산화탄소를 탄수화물로 합성하여 탄소를 공급받고 초식동물은 식물을 먹어 탄소를 공급받는다. 육식동물은 초식동물을 먹어 탄소를 공급받고 배출한다. 이러한 순환 과정을 통해 생물체 내의 ‘탄소12’와 ‘탄소14’의 비율은 일정하다.

 

그러다가 생물체가 죽으면 더 이상 탄소가 순환되지 않고 생물체 외부의 탄소를 흡수하거나 배출하지 않게 된다. 시간이 지나면 생물체 내의 ‘탄소14’가 방사선 붕괴를 일으켜 ‘질소14’로 변하고 ‘탄소14’ 비율도 바뀌게 된다.

 

이렇게 화석 안에 있는 ‘탄소12’와 ‘탄소14’의 비율 그리고 대기 중의 비율을 비교하여 ‘탄소14’의 반감기를 계산하면 언제쯤 화석이 만들어 졌는지 알 수 있다.