▶동위원소의 발견과 개념
동위원소란 용어는 영국의 Soddy Frederick
(소디 프레더릭 1877~1956)이 처음 사용 하였으며 방사성 물질의 화학에 관한 연구로 1921년 노벨상을 수상하였다.
동위원소는 동일한 화학원소 중 질량이 다른 원소를 뜻하는데 원자번호(양자의 수)는 같지만 중성자수가 다르기 때문에 질량이 다른 원소를 뜻한다. 자연계에서는 현재 339핵종으로 알려져있으며 그중 74%(250종)가 안정동위원소이다.
자연에서 발견되지 않은 방사성 핵종 인공방사성동위원소는3100종 이상으로 알려져 있다.
동위원소의 표시는 위와 같이 원소의 기호에 원자의 번호와 질량의 수를 같이 표시한다.
식물이나 동물이 살아 있을 때는 대기 중의 14C가 식물체 내의 14C와 동위원소 평형을 이루게 된다. 그러나 죽게 되면
그 시점부터 체내의 14C는 방사성 붕괴로 시간이 지남에 따라 그 양이 반씩 줄어간다. 이때 반으로 그 양이 줄어드는
기간을 반감기라 한다.
◉방사성 연대의 다양한 측정방법
①고체탄소의 방사능 측정
리비에 의해 개발. 효율성이 낮아 방사성 탄소가 붕괴되면 그중 5%만 측정될 수 있었다. 또한 시료의 오염가능성이
높고 30g의 시료가 필요하다.
②기체 시료 측정법
탄소를 이산화탄소로 전환시키고 정제과정을 거쳐 메탄, 아세틸렌 등으로 변환시켜 방사능을 검사한다. 효율성이 좋아
시료의 양을 줄일 수 있지만 라돈의 오염 위험성이 있다.
③액체시료 측정법
시료의 탄소를 액체 상태로 변환시켜 이를 액체섬광 계측법에 의해 방사성 탄소연대를 측정하는 것이다. 1954년 아놀드에 의해 처음 시도되었고 1960년 후반에 들어가서 벤젠 합성법에 들어갔다. 이 방법은 순도 99.9%의 장점을 가지고 있다.
④증폭장치이용
증폭장치에 의해 베타선 붕괴를 촉진시킴으로서 5만년에서 7만 5천년전의 시료를 측정한다. 이것은 ‘드 브리에’에 의해 1954년 발표되었으며 최근 열확산 레이져 방법이 발표되었다.
⑤질량분석법
C-13, C-12 비율 측정하여 C-14연대오차를 측정하는 방법이다. C-13/C-12의 비율을 질량분석기에 측정하여 간접적으로 C-14연대측정에 필요한 C-14/C-12의 비율을 구할 수 있다.
⑥가속기 질량분석법
고도의 질량분석기에 의해 C-14원자를 직접 헤아리는 방법이다. 고에너지 가속기를 이용한다. 이 방법은 시료의 양이 1mg~5mg정도 필요하며 연대측정의 폭이 7만여에서 10만여년까지 가능해지며 측정시간이 25분으로 짧아진다. 국내에서는 1968년 한국원자력 연구소에 처음 설치되었다. 국내 관련 논문으로는 『풍납토성 유기물의 절대연대 측정』
2.가속기 질량분광분석기 (Accelerator Mass Spectrometry; AMS)
[AMS 내부 사진]
가속기 질량분석기는 C-14를 질소-14,탄소-13을 함유하고 있는 CH, C-12를 함유하고 있는 CH2등과 구별할 수 있는 질량분석기이다.
①이온원: 시료에서 제작한 흑연에 세숨의 빔을 조사하여, 탄소의 음이온(C‐)을 만든다. 질소는 음이온이 되기 어려운 성질이 있기 때문에 이 부분에서 방해가 되는 질소-14가 섞여 들어오는 것을 억제할 수 있다.
②전자석: C‐를 구부려서 가속관에 도입한다.
③초단 가속부: 가속관의 중앙에서는 +180만 볼트의 전압이 흐르고 음전하를 갖는 C-가 가속된다.
④하전 변환부: 이 부분에는 아르곤가스가 흐르고 있다. 가속된 C‐가 이곳을 통과하면 가지고 있던 전자를 빼앗겨서 정이온(C+,C₂+,C₃+)으로 변한다. 14의 비중을 갖는 13CH‐,12CH₂‐ 등의 분자이온은 이 부분에서 분해되어 탄소-14와 같은 비중의 이온은 제거된다.
⑤후단 가속부: 전자를 빼앗긴 탄소 정이온은 +180만 볼트의 전압에 반발하여 더욱 가속된다.
⑥정전 디플레닥터: C+,C₂+,C₃+ 중에서 방해 이온이 적은 3가이온(C₃+)을 선택한다.
⑦질량분석용 전자석: 여기서 질량분석을 하여 탄소-12, 탄소-13, 탄소-14를 구분한다.
⑧파라디컵: 탄소-12, 탄소-13에 대한 측정을 한다.
⑨반도체 검출기: 탄소-14에 대한 측정을 한다.
3. 탄소연대측정법의 한계
①14C는 단반감기핵종에 속하기기에 연대측정범위가7만년 정도 밖에 측정이 어렵다.
②AMS(가속기 질량분석기)는 작은 샘플로도 작업이 가능하기 때문에 오염 물질을 통제하기 힘들다.
③오차범위가 존재하는 만큼 편년 논란에 자유로울 수 없다.
4. 탄소연대의 오차이론
①드 브리에 효과
나이테 연대 측정 결과 대기권의 C14가 단기적으로 연도하고 있다는 사실을 별견하였다. 탄소저장고 속의 C14농도에 영향을 미치는 요소는 우주선의 크기 지구근방의 지장의 크기, 패수의 혼합속도에 있다.
C14의 농도는 과거 수천년간 자연적 요인에 의해 변화되었다. 이로 인해 c14연대측정법은 오차를 가리게 된다.
②스웨스 효과
스웨스는 19세기말 20세기 초에 걸쳐 자란 나무에 대해 방사성 탄소연대 측정을 실시해본 결과 20세기 목재의 C14농도가 19세기의 목재보다 2%rk 낮다는 것을 발견하였다. 이는 19세기 산업혁명 중에 사용된 화석연료로 인해 많은 양의 비방사성 CO2가 대기로 도입됨으로서 상대적으로 c14의 농도가 떨어졌기 때문이다. 그 결과 C14duseosms 실제 연대보다 높게 나타난다.
③원폭효과
원폭실험은 많은 양의 c14를 만들었고 그것은 대기권 내로 유입되었다. 원폭실험이 가장 많이 실시될 때 국방부에서의 c14농도는 200%인 경우도 있었다. 대기권 내 비 자연적인 c14rk 생성되어 도입됨으로서 c14의 연대측정에 커다란 위험요소로 작용한다.
5. 기타 측정법
열 루미네선스 연대측정법(ThermoLuminescence;. TL)
50만년에 걸친 연대측정이 가능하다.
고대 토기나 기와 등 무기물에 대한 연대측정법. 형석을 히터로 가열하면 파란 빛이 난다. 오래된 것만큼 강한 빛을 내는 성질이 필요.
열루미네선스 연대=축적선량÷연간선량
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작년에 과제하다가 필기한건데 혹시나 고고학 접근하는 분들에게 필요할까봐 올립니다.