절대연령측정법(반감기, 방사성동위원소에 의한 지질 연대측정 전제조건)

지구형성후 최초의 바다는 담수였을것이며 이 담수에 주위 육지로부터 풍화물질이 침식을받아 유입되면서 바닷물 속에 NaCl 이 용해되어 들어간 것으로 추론할수 있다

따라서 바닷물속에 들어있는 NaCl의 전체양과 매년 대양으로 유입되는 NaCl량을 계산하면 바다의 연대를 알수 있다

대양에 포함된 전체의 NaCl의 량 g

매년 대양으로 들어오는 염의 량 〓 g/년 = 년 (대양 내의 염의 축적 연령)

1.24×10    +17g

1.39×109g/년 = 약 90백만원

1895년 렌트겐의 의해 X-선이 발견되었고 1898년 퀴리에 의해 방사성원소 라듐이원소가 발견되었으며 1906년 예일대 지구화학자 Boltwood는 방사성동위원소 토륨(232Th)으로부터 방출된 이오늄(ionium)을 발견함과 동시에 우라늄이 방사능을 방출하면서 납(Pb)으로 변한다는 사실을 발견하게 되었다

방사성동위원소가 암석의 년대측정에 이용 가능한 이유는 이 원소가 주위의 어떤압력이나 온도에 영향을 받지 않고 일정한 속도로 방사능을 방출하면서 다른 원소로 변하여가므로 원래의 원소는 점차 그 양이 감소하는 한편 새로 생기는 원소는 그 양이 증가하기 때문에 만일 어떤 암석 속에 있는 방사능 원소의 양과 그것에서 생기는 새로운 원소의 량의 비를 알고 , 그 붕괴속도를 알면 암석의 연대를 측정할 수가 있기 때문이다.

모든 원자는 핵을 갖고 있으며 이핵은 원자의 크기에 비하여 아주 작으나 이의 질량은 원자질양의 대부분을 차지 한다. 이핵 주위로 전자무리(群)가 둘러싸고 있고 핵은 양(+)전하를 띠는 양자와 전기적으로 중성인 중성자로 구성되어있으며 이들 질양은 1이다.

완전한 원자에서는 핵에 있는 양자의 수가 같은 수의 음(-)전하를 띤 전자에 의해 균형을 유지하고 있으며 한 원자의 핵을 구성하는 양자의 수는 Z 로 상징되는 원자번호에 해당된다. 즉 양자와 중성자의 질량의 합계는 원자의 원자량에 해당되고 같은 원소의 모든 원자들은 같은 수의 양자를 갖는다.

예를들면 탄소의 원자번호가 6이라 함은 탄소원자는 양자의 수가 6을 갖고 있음을 의미하는것이나 같은수의 양자를 갖는 동일원소 중에 중성자의 수 또는 질량이 다른 원소가 있는데 이런원소를 동위원소라고 한다.

탄소는 중성자의 수를 6,7 또는 8개를 갖는 경우가 있어 12,13,14의 탄소동위원소가 있다

12C, 13C 는 그의 양자와 중성자 수가 변하지 않으나 14C는 방사능을 방출하면서 핵 중의

중성자 하나가 양자로 변하여 질소(14N)로 된다. 12C, 13C과 같이 언제나 변하지 않는 동위원소를 안정동위원소라고 하며 14C와 같이 방사능을 방출하면서 다른원소로 변하는 동위원소를 방사능동위원소라고 한다.

방사성동위원소 중 원래의 원소를 모원소(parent element)라고 하며 방사능 방출에 따를 새로생긴 원소를 자원소(daughter element)라고 한다

 

방사성동위원소 가운데 87Rb의 붕괴과정을 보면 양자37과 중성자 50을 갖고 있으며 β선으로 알려진 방사능을 방출하면서 그 핵 속에 있는 중성자와 양자로 전환하여 양자의 수가 38로 증가 스트론튬(87Sr)으로 변한다.

반감기라 함은 주어진 모원소가 방사능을 방출하면서 그의 원소 중 절반이 붕괴되기까지 걸이는 시간으로 첫 번째 반감기는 주어진 방사는원소 2분의 1이 붕괴되어 새로운원소 즉 자원소로 되는기간이고 두 번째 반감기는 자원소가 모원소의 3/4이 된다.

 

짧은 반감기를 가진 14C(반감기 5700년)는 다섯 번의 반감기를 갖는 동안에 1/32을 제외한 모든 것이 질소로 변하고 이때까지 3만년 밖에 걸리지 않는 반면에 지구에서 가장오랜된 암석이 연령 약 38억년은 87Rb의 첫반감기(470억년)의 1/16 정도이다. 이와같이 87Rb은 아주 오랜 암석의 년령측정에 14C는 아주 가까운 지질시대 연령을 측정하는데 이용된다

 

암석연대측정에 최초로 사용되었던 우라늄은 238U와 235U 두종류의 동위원소가 있으며 이들은 ɑ선 방사선을 방출하고 납Pb으로 된다. 206Pb의 동위원소로 붕괴되며 반감기는 45억년이고 후자의 자원소는 207Pb의 동위원소로 되는데 반감기는 7억년이다 1개의 ɑ입자는 2개의 양자와 2개의 중성자로 238U이 206Pb으로 되기까지 8개의 ɑ입자를 방출하고 235U에서 207Pb로 변하는데에는 7개의 ɑ입자를 방출한다.

토륨 232Th 원소 역시 붕괴되어 납으로 되며 이의 반감기는 130억년이다.

암석연령의 측정에 쓰이는 여러동위원소와 붕괴과정을 간단한 식으로 표시하면 다음과 같다

① 탄소동위원소: 14C → 14N+ʙ : 반감기 5700년

② 87Rb → 87Sr+β : " 470억년

③ 238U → 206Pb +84He : " 45억년

235U → 207Pb + 74He : " 7억1천년

④ 토륨-납 : 232Th → 208Pb+64He : " 130억년

⑤ 40K + e → 40Ar : " 118억5천만원

방사성원소의 절대연령측정은 어떤암석속에 들어있는 방사성원소의 전체원자수 N과 일정한기간내에 붕괴되는 수 N의 관계를 계산하면 된다. 이 일정한 비율을 붕괴계수라하고 ƛ문자 로 표기된다

방사성동위원소에 의한 연대측정은 다음의 전제조건하에서 이루어진다

1) 측정되는 모든암석이나 광물은 폐쇄체계(close system)에 있다

이는 용융상태의 마그마와 같이 물질이동이 가능한 개방체계(open system)하에서 모원소로부터 이동이 자유롭기 때문에 측정의 의미가 없다. 따라서 모든광물이 완전히 굳어진 후 각 광물의 결정격자에 갇혀서 원소들의 이동이 일어나지 않아야 모원소와 자원소의 정확한 비를 측정할수있다.

2) 암석이 형성되었을때 어떠한 자원소도 그 속에 미리 들어 있어서는 안된다는 것이다.

만일 모원소의 붕괴과정 없이 이것에서부터 생기는 자원소와 똑같은 원소가 이미 그속에 포함되어 있었다면 연대 측정에 큰 착오가 일어나게 된다.

따라서 방사성동위원소에 의한 암석연령측정방법에 의존하지 말고 가능한 여러 가지 방법을 동원하여 이를 종합적으로 검토해야 신빙성있는 값을 얻게 된다는것이다

운석의 연령측정 :　방사성원소에 의한 연령측정방법의 업적 중 하나는 운석(meteorite)의 연령측정이다 특히 모든운석이 약45억년 이라는 일치된 값을 나타내 준다는 것이다.

석질운석 또는 철과 니켈운석의 합금이든 관계없이 같은 숫치를 나타낸다. 모든 운석은 태양계 안에서 지구와 함께 같은시기에 형성되었다는 것이고 이것이 사실이라면 운석만으로 태양계에 속하는 지구연령을 알수있다는 것이다.

 

 

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