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탄소-14
탄소-14(¹⁴C, Carbon-14)는 탄소의 방사성동위원소이다. 1934년에 안개 상자의 실험 결과를 설명하기 위하여, 탄소-14가 존재할 것이라는 가설을 세웠다. 이후 1936년에 탄소-14를 관찰하였고 1940년에 화학적 성질과 반감기가 밝혀 졌다. 6개의 양성자와 8개의 중성자, 6개의 전자로 구성되어 있다.
대기중 존재하는 탄소 99%가 탄소-12, 1%가 탄소-13으로 존재하는데, 전체 탄소 중 1조분의 1만이 이 동위원소의 형태로 존재한다. 현 시기 탄소 비율은 ¹⁴C/C = 1.2 x 10⁻¹²이다.
약 3만 년 동안 작동 가능한 다이아몬드 배터리는 탄소-14를 에너지원으로 한다. 탄소-14는 원자력 발전의 방사성 폐기물에서 추출할 수 있으며 탄소-14를 추출함으로써 방사성 폐기물의 자체 방사능을 저해하고 보관 비용을 감소시킬 수 있다는 이점이 있다. 다이아몬드 배터리는 탄소-14의 베타 붕괴를 활용한다. 탄소-14의 방사선은 모든 고체에 빠르게 흡수될 수 있는 단거리 방사선으로 다이아몬드 내에서 비탄성 산란을 하면서 빠르게 흡수된다. 흡수된 방사선의 에너지는 열로 바뀌고, 열전 소자를 통해 전기로 변환되어 충전에 사용된다.[1]
개요[편집]
탄소-14(¹⁴C)는 약한 베타선을 방출하는 방사성동위원소이다. ¹⁴C는 대기중의 질소에 우주방사선의 중성자가 포획되어 생성되어 5,700년의 반감기를 가져 지구 대기에서 생성되고 붕괴되어 지상 환경중 탄소 1kg에 226 Bq 정도가 포함되어 있다.
생물이 살아 있을때는 섭취와 배설의 평형을 이루어 226 Bq/kg·C수준으로 유지되고 있으나, 죽은 후에는 14C가 붕괴하여 없어진다. 이런 현상을 이용하여 목제품등 고고학적 유물의 연대측정에 활용되고 있다. 핵실험이나 원자로 격납건물 내부에서도 생성되어 대기중 핵실험이 활발히 진행된 1955년~1963년 간에는 대기 중 14C가 500 Bq/kg·C 까지 증가하였다가 현재는 230 Bq/kg·C 수준으로 낮아졌다.
생성과 붕괴[편집]
탄소-14는 지상 9km 이상의 대기권에서 우주선에 의해 생성되는 중성자가 질소-14와 핵반응을 이루어 생성된다. 그래서 대기 중에는 일정한 양의 탄소-14가 존재하며, 탄소 순환을 통해 생명체에 흡수된다.
시간이 지남에 따라서 질소-14로 베타 붕괴를 통하여 붕괴되며, 5730±40년의 반감기를 가지고 있다. 이를 이용하여 비교적 단시간이 지난 시료의 연대를 측정하는 방사성 탄소 연대 측정법에 이용된다.
방사성탄소 연대측정[편집]
탄소는 생명의 기본이며, 모든 살아있는 것에 존재한다. 방사성탄소라고도 불리는 탄소-14는 탄소의 동위원소로서 불안정하며, 약한 방사성을 띄고 있으며, 살아있는 모든 생명체에 아주 미세 량 존재한다. 방사성이 있는 관계로 시간이 지나면서 점차 소멸하여 결국에는 모두 없어진다. 방사성탄소 연대측정이란 이 탄소- 14가 어떤 물질 (혹은 어떤 사람)이 살았던 시점을 보여준다는 것을 이용한 것히다.
탄소-14는 지구의 상층부에서 생기는데, 태양의 방사성 폭발로 생긴 중성자들이 공기에 있는 질소와 충돌하면서 생성된다. 이 충돌로 인해 반응이 일어나 질소가 탄소-14로 변한다. 이 탄소-14는 생성되면서 바로 방사성이 반감하기 시작하여 소멸되면서, 동시에 계속 발생하기 때문에 공기 중의 이 탄소-14의 량은 일정하게 유지된다.
이 방사성탄소는 대기 중에 있는 산소와 반응하여 이산화탄소(CO₂)가 된다. 이렇게 생긴 이산화탄소는 공기에 급하게 섞여 식물들이 광합성을 하기 위해 흡수한다. 이 과정은 계속해서 꾸준히 일어나므로 어떤 시점에서 살아있는 식물 내의 탄소-14 량과 이 식물이 살아 가는 대기 중의 탄소-14의 량은 거의 같이 유지된다.
살아있는 식물은 먹이 사슬에서 아주 중요한 구성 성분이다. 동물들은 이런 식물들이나 혹은 다른 동물을 잡아 먹으며, 인간은 이런 식물들과 동물들을 먹는다. 따라서 모든 살아있는 식물들, 동물들, 사람들 모두 같은 시점에 같은 량의 탄소-14을 가지고 있으며, 우리는 이것을 공기 중에 탄소-14가 '평형'을 이룬다고 한다. 비록 탄소-14의 방사성으로 인해 계속 반감하지만, 광합성 작용이나 다른 음식을 섭취하면서 거의 일정한 량을 유지하여 평형을 이룬다.
식물이 이산화탄소 흡수를 멈추거나 (식물의 죽음) 동물이나 사람이 먹는 것을 멈추면 (동물이나 사람의 죽음) 탄소-14의 흡수 역시 멈추면서 그 평형 상태가 깨진다. 그 시간 이후부터는 새로운 탄소-14의 흡수는 없으며, 체내에 있는 방사성 탄소가 반감기에 따라 줄어들며 결국에 남아있던 모든 탄소-14는 없어지게 된다. 이 원리는 사람이 죽었거나 옥수수 줄기가 잘렸거나, 콩의 뿌리가 뽑혔을 때에도 동일하게 적용된다. 죽게 되면 주변에 있던 탄소-14의 흡수를 멈추고 체내에 남아있는 탄소-14의 량은 서서히 줄어든다.
방사성탄소 연대측정 실험실은 화석에서 남아있는 탄소-14의 량을 측정할 수 있다. 그리고 이 량을 가지고 그 화석이 마지막으로 탄소를 흡수(음식물 섭취나 식물의 광합성 작용)했던 마지막 시기를 결정한다. 방사성탄소에는 반감기라는 것이 있다. 반감기란 방사성의 량이 원래 상태의 반으로 줄어드는 것을 말한다. 방사성탄소의 반감기는 대략 5700년이며 이 말은 매 5700년 마다 방사성탄소의 량이 반으로 줄어든다는 것이다. 또한 만약에 죽은 식물의 방사성탄소가 살아있을 때의 50%만 가지고 있다면, 이 죽은 식물은 5700년 전에는 살아있었다는 것을 보여준다.
약 5만년 정도 지난 화석에는 방사성탄소가 하나도 남아있지 않다. 방사성의 반감기에 따라 완전히 소멸된 것이다. 따라서 방사성탄소 연대측정이란 화석에서 방사성탄소가 하나도 남아있지 않다면 이 화석의 나이가 5만년 이상이라는 것을 알게 되는 것이다. 석유나 공룡의 화석 등은 방사성탄소가 그 안에 하나도 남아있지 않는 경우이다.
물리적 특성[편집]
14C는 순수 베타 방출핵종으로 반감기는 5,700년 최대 156.5keV, 평균 49.47keV의 베타선을 방출한다.
방출되는 베타선의 공기중 정지비정은 22mm이며 신체에서 정지비정은 0.27mm 이다.
각주[편집]
- ↑ 박민성 학생기자, 〈다이아몬드로 배터리를?〉, 《코스모스》, 2020-09-30
참고자료[편집]
- 〈탄소-14〉, 《위키백과》
- 〈탄소-14i〉, Atomic Wik
- 〈탄소 14〉, 《화학대사전》
- 박민성 학생기자, 〈다이아몬드로 배터리를?〉, 《코스모스》, 2020-09-30
같이 보기[편집]
