탄소-14
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1. 개요
탄소-14는 대기권에서 우주선에 의해 생성되는 방사성 동위원소이다. 탄소-14는 질소-14와 중성자의 핵반응, 다른 중성자 반응, 그리고 라듐 동위원소의 클러스터 붕괴를 통해서도 생성된다. 탄소-14는 베타 붕괴를 통해 질소-14로 붕괴하며, 반감기는 5,730년이다. 탄소-14는 방사성 탄소 연대 측정법에 활용되어 유기물의 연대를 측정하는 데 사용되며, 핵실험, 태양 활동 연구, 법의학 등 다양한 분야에서 응용된다.
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| 탄소-14 | |
|---|---|
| 기본 정보 | |
 | |
| 다른 이름 | 방사성 탄소 |
| 질량수 | 14 |
| 원소 기호 | C |
| 중성자 수 | 8 |
| 양성자 수 | 6 |
| 자연 존재비 | 1조분의 1 |
| 붕괴 생성물 | 질소-14 () |
| 반감기 | 5,730년 |
| 반감기 오차 | 40년 |
| 질량 | 14.003241 |
| 질량 (원자 질량 단위) | 14.0032420 |
| 스핀 | 0+ |
| 붕괴 방식 | 베타 붕괴 |
| 붕괴 에너지 | 0.156476 |
| 핵물리 정보 | |
| 질량 과잉 | 3.01989305 × 103 |
| 결합 에너지 | 7.520319 × 103 |
2. 생성
탄소-14(14C)는 대기 중에서 우주선에 의해 생성되는 중성자가 질소-14와 핵반응을 일으켜 생성된다. 이 때문에 대기 중에는 일정한 양의 탄소-14가 존재하며, 탄소 순환을 통해 생명체에 흡수된다.[17][18]
탄소-14는 주로 대기권 상층부(고도 9km~15km)에서 생성되며, 반응식은 다음과 같다.[19][20]
:147N + n → 146C + p
여기서 n은 중성자, p는 양성자를 나타낸다.
탄소-14는 번개,[25][26] 지상 핵실험,[30] 원자력 발전소[39][40] 등 다양한 원인에 의해서도 생성될 수 있다.
| 모원소 동위원소 | 자연 존재비(%) | 열중성자 포획 단면적(b) | 반응 |
|---|---|---|---|
| ¹⁴N | 99.634 | 1.81 | ¹⁴N(n,p)¹⁴C |
| ¹³C | 1.103 | 0.0009 | ¹³C(n,γ)¹⁴C |
| ¹⁷O | 0.0383 | 0.235 | ¹⁷O(n,α)¹⁴C |
2. 1. 자연적 생성
탄소-14는 주로 대기 상층부에서 생성된다. 우주에서 날아온 우주선이 지구 대기와 충돌하면서 여러 반응을 일으키는데, 이 과정에서 중성자가 만들어진다. 이 중성자가 질소-14와 반응하여 탄소-14가 생성된다.[17][18]생성 반응식은 다음과 같다.
:147N + n → 146C + p
여기서 n은 중성자, p는 양성자를 나타낸다.
탄소-14는 대류권 상층부와 성층권에서 주로 만들어지는데, 특히 지자기 위도가 높은 지역, 고도 9km에서 15km 지점에서 생성률이 가장 높다.[19][20]
탄소-14 생성률은 태양 활동 변화와 지구 자기장 변화에 영향을 받는다. 하지만 탄소 순환의 변화 때문에 정확한 생성률 변화를 측정하기는 어렵다.[19][20]
번개에 의해서도 탄소-14가 생성될 수 있지만, 그 양은 우주선에 의해 생성되는 양에 비해 매우 적다.[25][26]
2: 탄소-14 붕괴
3: "같음" 방정식은 생물체에 대한 것이며, "다름" 방정식은 탄소-14가 붕괴되는 죽은 생물체에 대한 것입니다 (2 참조).
2. 1. 1. 774-775년 탄소-14 급증
774년에서 775년 사이에 비정상적으로 높은 탄소-14 생성률이 관측되었다.[21] 이는 지난 1만 년 동안 발생한 가장 강력한 극단적인 태양 고에너지 입자 사건 때문이다.[22][23] 기원전 5480년에도 탄소-14 농도가 2% 증가한 사건이 있었는데, 이는 태양 고에너지 입자 사건일 가능성이 낮다.[24]2. 2. 핵실험으로 인한 생성
1955년부터 1980년까지 여러 국가에서 실시된 지상 핵실험(핵실험 목록 참조)으로 인해 대기 중, 그리고 생물권의 14C 양이 급격히 증가했다.[30] 실험이 끝난 후 방사성 CO2가 식물과 동물 조직에 고정되고 바다에 용해되면서 14C의 대기 중 농도는 감소하기 시작했다.
이러한 대기 중 14C 변화의 영향으로, 치아 법랑질[32][33]이나 눈의 수정체[34]에 있는 14C의 양을 측정하여 개인의 출생 연도를 결정하는 방법(예: 폭발 펄스 연대 측정법[31])이 가능해졌다.
2019년, 사이언티픽 아메리칸은 지구에서 가장 접근하기 어려운 지역 중 하나인 태평양의 마리아나 해구에 서식하는 동물에게서 핵실험으로 인한 탄소-14가 발견되었다고 보도했다.[35]
대기 중 CO2의 14C 농도는 1950년대와 1960년대 지상 핵실험 이전 수준과 비슷한 수준으로 감소했다(2022년경).[36][37] 핵실험으로 생성된 추가적인 14C가 완전히 사라진 것은 아니지만,[38] 수에스 효과로 인해 희석되었다.
2. 3. 원자력 발전소에서의 생성
탄소-14는 비등수형 원자로(BWR)와 가압수형 원자로(PWR)의 냉각수에서 생성된다. 일반적으로 BWR에서는 이산화탄소 형태로, PWR에서는 메탄 형태로 공기 중에 방출된다.[39] 원자력 발전소 운영자는 탄소-14를 관리하는 최선의 방법은 식물이 광합성을 하지 않는 야간에 방출하는 것이다.[40] 탄소-14는 핵연료 내부에서도 생성된다(일부는 산화우라늄 내 산소의 변환 때문이지만, 가장 중요한 것은 질소-14 불순물의 변환 때문이다). 그리고 사용후핵연료가 핵연료 재처리로 보내지면, 예를 들어 PUREX 과정 중 CO2|이산화탄소영어로서 C가 방출된다.[41][42]3. 붕괴 및 검출
탄소-14는 베타 붕괴를 통해 질소-14로 붕괴하며, 이 과정에서 전자와 전자 반뉴트리노를 방출한다. 방출되는 베타 입자의 에너지는 상대적으로 낮아 검출이 쉽지 않다.[7]
3. 1. 붕괴 과정
탄소-14(¹⁴C)는 베타 붕괴를 통해 질소-14(¹⁴N)로 붕괴한다. 이 과정에서 중성자 하나가 양성자로 바뀌면서 전자(e⁻)와 전자 반뉴트리노(νₑ)를 방출하고 156.5 keV의 에너지를 방출한다.[7]:¹⁴C → ¹⁴N + e⁻ + νₑ + 156.5 keV
방출된 베타 입자는 최대 약 156 keV, 가중 평균 49 keV의 에너지를 갖는다.[7] 이것은 상대적으로 낮은 에너지이며, 베타 입자의 최대 이동 거리는 공기 중에서 약 22cm, 신체 조직에서는 약 0.27mm로 추정된다. 각질층을 통과하는 방사선의 비율은 0.11로 추정된다.[7]
탄소-14의 반감기는 5,730±40년이다.
3. 2. 검출 방법
탄소-14는 베타 붕괴를 통해 방출되는 베타 입자의 에너지가 낮아, 일반적인 가이거-뮬러(G-M) 검출기로는 소량을 검출하기 어렵다. G-M 검출기는 분당 약 100,000회 미만의 붕괴는 감지하지 못하는 것으로 추정된다.[7] G-M 계측 효율은 3%로 추정된다.[9]따라서, 액체 섬광 계측법이 주로 사용되며,[8] 최근에는 가속기 질량 분석법이 가장 좋은 방법으로 사용된다. 가속기 질량 분석법은 시료 내 모든 탄소-14 원자를 계산하므로 훨씬 더 작은 시료를 사용할 수 있고, 결과를 빠르게 얻을 수 있다.[8]
4. 방사성 탄소 연대 측정법
방사성 탄소 연대 측정법은 유기물이 포함된 시료의 연대를 측정하는 방법으로, 대기 중 탄소 동위원소 비율이 일정하다는 점을 이용한다. 1949년 시카고 대학교의 윌러드 리비와 그의 동료들이 개발하였다.[10] 리비는 탄소 1g당 분당 약 14회의 붕괴(dpm)가 일어날 것이라고 추정했으며, 이는 현대 방사성탄소 표준의 활동도로 사용된다.[11][12] 리비는 이 업적으로 1960년 노벨 화학상을 수상했다.
이 방법은 고고학 유적에서 유기물 잔해의 연대를 측정하는 데 자주 사용된다. 식물은 광합성을 통해 대기 중 탄소를 고정시키므로, 식물과 동물이 죽었을 때 체내 탄소-14의 양은 당시 대기 중 탄소-14의 양과 거의 같다. 그러나 그 후에는 탄소-14가 붕괴하며 감소하기 때문에, 이를 통해 사망 시점 또는 고정 시점을 추정할 수 있다.
방사성탄소는 자연 생태계의 교란을 감지하는 데에도 사용된다. 예를 들어, 이탄지(peatland)에서 방사성탄소는 과거 유기 토양에 저장되었던 탄소가 토지 개간이나 기후 변화로 인해 방출되고 있음을 나타낼 수 있다.[13][14]
우주선 생성 핵종은 과거 우주 입자 및 태양 활동을 특징짓는 대리 변수 데이터로 사용된다.[15][16] 도쿄대학교 우주선연구소에서는 과거의 태양 활동 주기를 밝히고, 태양 활동 변화와 기후 변동의 관련성을 해명하는 연구가 진행되고 있다.
냉전 시기 핵실험으로 방출된 탄소-14는 인체 조직의 나이를 측정하는 데 사용되어 법의학에도 응용되고 있다.[55]
4. 1. 측정 원리
방사성 탄소 연대 측정법은 유기물이 포함된 시료의 연대를 측정하는 방법이다. 살아있는 식물은 광합성, 동물은 호흡을 통해 대기 중 탄소 동위 원소 비율과 동일한 비율을 유지한다. 하지만 생물이 죽은 뒤에는 탄소 교환이 일어나지 않아 체내 탄소-14가 붕괴되어 감소한다. 이 점을 이용하여 시료 내 탄소-14 잔존량을 측정하여 연대를 추정한다.[64]4. 2. 측정 한계
방사성 탄소 연대 측정법은 대기 중 탄소 동위 원소의 비율이 일정하다는 점을 이용하여 유기물이 포함된 시료의 연대를 측정하는 방법이다. 살아있는 생물은 식물은 광합성, 동물은 호흡을 통해 탄소 동위 원소의 비율을 일정하게 유지하지만, 죽은 뒤에는 탄소 교환이 일어나지 않아 체내 탄소-14가 붕괴되어 감소하는 것을 이용해 연대를 측정한다. 대략 6만 년까지의 연대를 비교적 정확하게 측정할 수 있다[64].4. 3. 보정
방사성 탄소 연대 측정법으로 초기 탄소-14(14C) 수준을 계산할 때, 1만 년 전까지는 나무 나이테 자료(수목연대학)를, 약 4만 5천 년 전까지는 동굴 퇴적물(스펠레오템) 자료를 연도별로 직접 비교하여 측정할 수 있다.[13][14] 표본의 탄소-14 수준을 이미 연대가 알려진 나무 나이테나 동굴 퇴적물의 14C 수준과 직접 비교하거나 계산하면, 해당 표본(목재 또는 동물)이 생성된 이후 시간이 얼마나 흘렀는지 알 수 있다.5. 환경 내 분포
상층 대기에서 생성된 탄소-14는 빠르게 반응하여 대부분(약 93%)이 carbon monoxide|일산화탄소영어(14CO)를 형성하며, 이후 더 느린 속도로 산화되어 방사성 이산화탄소(14CO2)가 된다.[20] 이 기체는 빠르게 섞여 대기 전체에 고르게 분포된다(혼합 시간 척도는 수 주 정도). 이산화탄소는 물에도 용해되므로 해양으로 스며들지만, 그 속도는 더 느리다.[20] 14CO2의 대기 제거 반감기는 북반구에서 약 12년에서 16년으로 추정된다. 해양 표층과 심해의 대량의 중탄산염 저장소 간의 전달은 제한된 속도로 일어난다.[43]
2009년 신선한 육상 생물체의 탄소 1kg 당 14C의 활동도는 238 Bq로, 대기 핵실험 이전 값(226Bq/kg C; 1950년)에 가까웠다.[44]
5. 1. 분포
상층 대기에서 생성된 탄소-14는 빠르게 반응하여 대부분(약 93%)이 carbon monoxide|일산화탄소영어(14CO)를 형성하며, 이후 더 느린 속도로 산화되어 방사성 이산화탄소(14CO2)가 된다.[20] 이 기체는 빠르게 섞여 대기 전체에 고르게 분포된다(혼합 시간 척도는 수 주 정도). 이산화탄소는 물에도 용해되므로 해양으로 스며들지만, 그 속도는 더 느리다.[20] 14CO2의 대기 제거 반감기는 북반구에서 약 12년에서 16년으로 추정된다. 해양 표층과 심해의 대량의 중탄산염 저장소 간의 전달은 제한된 속도로 일어난다.[43]2009년 신선한 육상 생물체의 탄소 1kg 당 14C의 활동도는 238 Bq로, 대기 핵실험 이전 값(226Bq/kg C; 1950년)에 가까웠다.[44] 탄소-14는 대류권 상부와 성층권에서 질소 원자(N)가 열중성자(n)를 흡수함으로써 생성된다. 우주선이 대기로 유입되면 다양한 반응이 일어나는데, 그중에는 중성자를 생성하는 것도 있다. 생성된 중성자와 질소 원자는 다음 반응에 의해 탄소-14를 생성한다.
:
탄소-14 생성량이 가장 많은 곳은 고위도 지역의 고도 약 9144.00m~약 15240.00m(9000m~15000m)이다.
5. 2. 총량
지구 생물권의 Carbon-14 재고량은 약 300메가퀴리(11엑사베크렐)이며, 대부분은 해양에 존재한다.[45]탄소-14 재고량은 다음과 같다.[46]
| 구분 | 수량 |
|---|---|
| 전 지구 재고량 | ~8500 PBq (약 50톤) |
| 대기 | 140 PBq (840 kg) |
| 육상 물질 | 나머지 |
| 핵실험으로 인한 양 (1990년까지) | 220 PBq (1.3톤) |
5. 3. 화석 연료 내 탄소-14
화석 연료(예: 석유 또는 석탄)에는 C가 거의 남아있지 않은데, 이는 화석의 연령이 C의 반감기보다 훨씬 길기 때문이다. 따라서 지구 대기의 특정 지역에서 화석 연료 연소로 인한 총 이산화탄소에 대한 상대적 기여도를 파악하는데 의 상대적 부재가 사용된다.[47]화석화된 탄소질 물질 샘플의 연대 측정은 더 복잡하다. 이러한 퇴적물에는 종종 미량의 C가 포함되어 있는데, 샘플마다 그 양이 크게 다르고 생물체에서 발견되는 비율의 최대 1%에 이를 수 있다(약 4만 년의 연령).[48] 이는 소량의 박테리아에 의한 오염, N(n,p)C 반응을 일으키는 지하 방사선원, 직접적인 우라늄 붕괴(우라늄 함유 광석에서 측정된 C/U 비율[49]은 C/C 비율(약 10-15로 측정됨)을 유발하기 위해 약 2개의 탄소 원자당 1개의 우라늄 원자가 필요함을 의미함) 또는 기타 알려지지 않은 이차 C 생성원을 나타낼 수 있다. 탄소질 물질 샘플의 동위원소 지문에 C가 존재하는 것은 생물 기원의 오염이나 주변 지질 지층의 방사성 물질 붕괴를 나타낼 수 있다. 보렉시노 태양 중성미자 관측소 건설과 관련하여, (주 발광체를 합성하기 위한) 석유 원료는 낮은 C 함량으로 얻어졌다. 보렉시노 계수 시험 시설에서 1.94×10-18의 C/C 비율이 결정되었다.[50]
6. 인체 내 탄소-14
많은 인간의 식량 공급원이 궁극적으로 육상 식물에서 유래하기 때문에 인체 내의 14C 상대 농도는 대기 중 상대 농도와 거의 동일하다. 정상 성인의 몸에서 칼륨-40(40K)과 14C의 붕괴율은 비슷하다(초당 수천 회).[52] 외부(환경) 방사성 탄소로부터 나오는 베타 붕괴는 매년 각 개인의 선량에 약 0.01mSv(1mrem)를 더한다.[53] 이는 40K(0.39mSv년)와 라돈(변동적)으로부터 받는 선량에 비해 적다.14C는 의학에서 방사성 추적자로 사용될 수 있다. ''헬리코박터 파일로리'' 진단 검사인 초기 변형 요소 호기 검사에서 약 37kBq(1uCi) 14C로 표지된 요소가 환자에게 투여된다(즉, 초당 37,000회 붕괴). ''H. 파일로리'' 감염 시 박테리아 우레아제 효소가 요소를 암모니아와 방사성 표지된 이산화탄소로 분해하는데, 이는 환자의 호흡을 저준위 계측하여 검출할 수 있다.[54]
7. 응용
탄소-14는 여러 분야에 활용된다.
방사성탄소연대측정은 약 6만 년 전까지의 탄소질 유물의 연대를 측정하는 데 사용되는 방사성 동위원소 연대 측정 방법이다. 1949년 시카고 대학교의 윌러드 리비와 그의 동료들이 개발하였으며,[10] 1960년 리비는 이 업적으로 노벨 화학상을 수상했다. 이 방법은 고고학 유적지에서 유기물 잔해의 연대를 측정하는 데 자주 사용된다.
유기물에 존재하는 탄소-14는 과거의 태양 활동 주기를 밝히고, 태양 활동 변화와 기후 변동의 관련성을 연구하는 데에도 사용된다. 도쿄대학교 우주선연구소에서 이러한 연구가 진행되고 있다.[55]
1963년까지 냉전 시기에 실시된 핵실험으로 방출된 탄소-14를 이용하여 인체 조직의 나이를 측정하는 방법이 개발되었으며, 이는 법의학에도 응용되고 있다.[55]
7. 1. 방사성 탄소 연대 측정
방사성탄소연대측정은 약 6만 년 전까지의 탄소질 유물의 연대를 측정하는 데 사용되는 방사성 동위원소 연대 측정 방법이다. 이 기법은 1949년 시카고 대학교 교수였던 윌러드 리비와 그의 동료들이 개발하였다.[10] 리비는 교환 가능한 14C의 방사능이 탄소 1g당 분당 약 14회 붕괴(dpm)될 것이라고 추정했으며, 이는 여전히 ''현대 방사성탄소 표준''의 활동도로 사용된다.[11][12] 1960년, 리비는 이 업적으로 노벨 화학상을 수상했다.이 기법은 고고학 유적지에서 유기물 잔해의 연대를 측정하는 데 자주 사용된다. 식물은 광합성 과정에서 대기 중 탄소를 고정시킨다. 따라서 식물과 동물이 죽었을 때 14C의 양은 그 당시 대기 중 14C의 양과 거의 같다. 그러나 그 후에는 기하급수적으로 감소하기 때문에 사망 시점 또는 고정 시점을 추정할 수 있다. 계산에 필요한 초기 14C 수준은 추정하거나, 1만 년 전까지의 나무 나이테 자료(수목연대학)의 연도별 데이터 또는 약 4만 5천 년 전까지 거슬러 올라가는 동굴 퇴적물(스펠레오템)과 직접 비교할 수 있다. (주어진 지역의 살아있는 나무와 죽은 나무의 중복 데이터 사용). 샘플의 탄소-14 수준을 알려진 연령의 나무 나이테 또는 동굴 퇴적물 14C 수준과 계산하거나(더 정확하게) 직접 비교하면 목재 또는 동물 샘플의 생성 이후 경과 시간을 알 수 있다. 방사성탄소는 또한 자연 생태계의 교란을 감지하는 데 사용된다. 예를 들어, 이탄지 지역에서 방사성탄소는 이전에 유기 토양에 저장되었던 탄소가 토지 개간 또는 기후 변화로 인해 방출되고 있음을 나타낼 수 있다.[13][14]
우주선 생성 핵종은 또한 과거의 우주 입자 및 태양 활동을 특징짓는 데 사용되는 대리 변수 데이터로 사용된다.[15][16]
7. 2. 태양 활동 연구
유기물에 존재하는 탄소-14는 방사성 탄소 연대 측정에 사용된다. 탄소-14 존재량의 연변동을 상세히 파악함으로써 과거의 태양 활동 주기를 밝히고, 태양 활동 변화와 수반되는 기후 변동의 관련성을 해명하는 연구가 도쿄대학교 우주선연구소에서 진행되고 있다.[55]7. 3. 법의학
1963년에 체결될 때까지의 냉전 시기에 실시된 핵실험으로 다량 방출된 탄소-14를 주목한 노벨 의학 연구소의 스웨덴 신경과학자 요나스 프리센(Jonas Frisén)은 로렌스 리버모어 국립 연구소와의 공동 연구를 통해 인체 조직의 나이를 측정하는 데 성공했으며, 이 기법은 법의학에도 응용되고 있다.[55]참조
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