방사능동위원소연대측정법토론

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1. 방사성 동위원소 측정법에 대한 musiki의 질문

제가 물리학과라고는 하지만 저역시 방사성 동위원소의 측정법에 대해서는 원론적이 수준에서만 알고 있을 뿐입니다. 창조과학회에서 하는 질문과 동일한 것일지 모르겠지만, 개인적인 의문점을 JikhanJung님께 드리고자 합니다. 단순히 제가 가지고 있는 의문점을 제기했을 뿐 그로 인해 "터무니없다"는 결론을 내기 위한것은 아닙니다. 참고로 밑의 의문은 90% 이상 제가 혼자 제기한 것이며 모 단체의 정책을 반영한 것은 하나도 없습니다. 훌륭한 답변을 기대하겠습니다.

일단, 방사성 동위원소 연대측정법에 대해서 저도 원론적인 수준에서만 알고 있다는 것을 먼저 말씀드려야겠습니다. 밑에 있는 질문목록을 보니 간단히 답할 수 있는 것들이 아니군요. 연구실에 가서 책을 찾아보던지 해야겠습니다. 간단히 답변할 수 있는 것을 먼저 하겠습니다. (아.. 공부 안 한거 다 들통나겠군요) -- JikhanJung

DeleteMe 해결됐다고 생각되는 내용은 삭제하거나 따로 정리하는 게 좋겠습니다. 일단 몇 개는 Q&A 형식으로 정리합니다. --Alphard

  • Q : C14 측정에서 과거의 우주선량의 변화를 고려합니까?
  • A : 고려합니다. 방사능동위원소연대측정법을 참고하세요.

  • Q : 압력, 온도, 밀도 등의 물리적 환경변화는 붕괴 양상과 독립적입니까?
  • A : 독립적이라는 것이 정설입니다. [http]Constancy of radioactive decay rates를 참고하세요.

  • Q : 자원소는 모두 붕괴의 결과물이라는 가정을 하지는 않습니까?
  • A : 방사성 동위원소 연대 측정법은 초기 자원소의 양과는 무관합니다. [http]isochron-dating을 참고하세요.

  • Q : 특정 자원소의 비율만을 측정합니까?
  • A : 암석 내의 모든 원소의 비율을 측정하는 EPMA 같은 기계가 있습니다.

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1.1. 우라늄 측정법의 의문점


1. 운석 등의 연대 측정에 의한 것이라고 하는데 운석과 지구 나이가 동일하다는 증거가 있습니까?

지구와 태양계의 생성에 대한 이론들을 들여다 봐야 할 것 같습니다. 나중에. -- JikhanJung

3. 일단은 상식선에서 달은 지구보다 오래된 것으로 알려져있습니다. 그런데 혹자는 똑같이 45억년이 나온다고 하고 혹자는 지구는 45억년, 달은 200억년 이상이 나온다고 합니다. 혹자는 최소 5억년은 더되었다고 합니다. 누구 말을 믿어야 합니까? 좀더 자세히 말하자면 증거만 놓고 봤을대 지구는 38억년, 달은 46억년 정도가 나오는데 5~10억년 가량 차이가 있습니다. 물론 학자들에 따라 지구와 달의 수명은 같다고 가정짓고 지구의 연대가 운석이나 달의 연대를 봤을때 46억년정도가 알맞다고 하는게 정설인것은 알지만 천체물리에서는 달이 외계에서 왔다고 주장하는 학자들도 제법 있는 걸로 알고 있습니다. --musiki
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4. U-238이 고온고압에서 적은 양의 U-235이나 기타 방사성 원소에 의해서 방사능 붕괴가 일어나 U-235나 플루토늄으로 변하는 등, 양이 줄어들 가능성이 있습니다. U238의 양이 줄어들면 납과의 비율이 작아져 더욱 오래된 연대로 오측정될 가능성이 높습니다. 과연 U-238의 반감기는 U-235나 토륨, 라듐 등 자연에 혼재할 수 있는 방사성 원소들과 혼합된 상태에서의 측정입니까 아니면 정제된 단일 원소의 측정치입니까. 앞에 제시한 이유로 정제된 단일 원소의 측정치보다 238의 양은 빠르게 줄어드는것이 당연합니다.

제가 아는 바로는.. 방사성 동위원소를 이용한 연대측정은 기본적으로 암석을 구성하고 있는 원소들의 비율을 측정하는 겁니다. 그 이야기는, 단일원소의 측정이 아니라 해당 암석의 모든 원소에 대한 비율이 다 나올 것이라는 얘기죠. 그런데 실제 암석의 주 구성원소는 Si, O, H, Al, Fe, K, Ca, Mg 등입니다. 연대측정에 사용되는 무거운 원소들은 극히 미량일 것이고, 암석 안에서 다른 방사성 원소에 의해 영향을 받을 가능성은 극히 적다고 봅니다. 말씀하신 것과 같은 연쇄반응(?)을 일으킬 만한 여건이 안 될 거라는 말이죠. -- JikhanJung

암석 바깥에서 받았다면 어떻겠습니까? 지금도 방사능을 발생시키는 운석이 존재합니다마는 --musiki

Radioactive decay 를 핵폭발 시의 연쇄반응과 비슷하게 여기시는 것이 아닌가 생각이 드는데, 미량의 방사성 동위원소들이 아주 드문드문 박혀있는 암석에 중성자를 퍼부어 댄다고 하더라도 그로 인해 방사성 동위원소들이 핵분열을 일으킬 가능성이 얼마나 될까요? 주위에서 발생한 방사능의 영향으로 분열을 일으킨 결과물과 자연적인 붕괴의 결과물은 다르지 않을까 하는 생각이 드는군요. 방사성 동위원소의 붕괴는 저 아래에도 언급했지만 원자핵 내부에서 자발적으로 일어나는 현상입니다. -- JikhanJung

방사능의 단위는 보통 크다 해도 Curie, 대략 10^10(붕괴/초)오더이지만 원자의 개수는 보통 적어도 10^22 이상의 오더죠. 방사선이 모두 물질 변환에 소모되었다고 가정하더라도 12자리수 이상의 오더 차이가 납니다. 연쇄반응이 일어날 경우에야 이 갭을 지수함수적인 증폭으로 순식간에 메울 수 있습니다만 연쇄반응 없이는 고려할 필요가 없다고 생각됩니다. --Alphard

8. U-238의 붕괴속도 역시 시간에 따라 변한다는 연구결과가 있었습니다. 근거없는 이론입니까? 아니면 유언비어였습니까?
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붕괴속도 자체는 양자역학의 원리들에 따라 순전히 원자핵 내부의 조건에 의해 결정되는 것으로 알고 있습니다. 즉, 온도, 압력, 밀도 등과 상관이 없다는 이야기죠. [http]참고자료 -- JikhanJung

9. 1970년, 가봉의 오클로에서는 자연상에서 스스로 존재하는 핵분열로의 흔적이 발견된 적이 있습니다. [http]http://nucel0.kaist.ac.kr/onr.htm 이러한 곳이 자연상에 많이 존재한다면 이러한 암석에 존재하는 U-238과 Pb-206의 비율은 아주 짧은 시간안에 1:1에 근접할 수 있습니다. 수개월안에 만들어진 45억년된 암석으로 변신(?) 할 수 있다는 것입니다. 그렇다면 지금까지 U-238에 의거한 동위원소 측정법은 완전히 설자리를 잃게 될수도 있습니다. 아닙니까?

아니라고 봅니다. "스스로 존재하는 핵분열로(?)" 가 과연 몇 개나 존재할 수 있을까요? 대부분의 암석에는 방사성 동위원소가 아주 희귀하게 들어있을 뿐입니다.

몇개이냐가 중요한게 아니라 단 한개일지라도, 만약 그 위치가 이러한 핵분열로가 있었던 자리라면 수준 이상으로 늘어나 있을 수 있다는 것이지요. 최소한 45억년보다는 많이 짧아질 가능성이 있다고 보는 것입니다. --musiki

핵분열로, 또는 그와 유사한 무언가가 그 주위에는 추적이 가능한 자취가 있을 것이고, (핵분열로로 인해 암석의 연대 측정에 과연 오차가 생기는지도 저는 잘 모르겠습니다만) 그를 이용하면 불완전하게나마 그 사건, 또는 이벤트에 대한 재구성을 할 수 있을 겁니다. -- JikhanJung

[http]http://madang.ajou.ac.kr/~ydpark/lectures/chem_cntxt/OkloGabon.htm 를 보시기 바랍니다. 이런 조건은 대단히 찾기 힘든 것이며 (특히, 초기 지구에서는 그다지 많지 않았을 산소의 존재가 필요하다는 점을 유의하시길 바랍니다), 또한 이런 조건이 우연히 갖추어진 경우에도 그곳의 동위원소들을 분석함으로써 연대추정이 가능합니다. 발견된 가봉에서의 현상은 약 17억년 전의 현상으로 추정된다고 합니다. --Alphard

옙. 그렇게 발견되기 힘든것이 동일지역에 15군데나 동시에 발견되었습니다. 하여간 굉장히 어려운 현상이었습다마는 지구에서 38억년 된 돌을 찾는 것은 그보다 더 발견하기 힘든 현상이라는 점입니다. 이 오클라호마에서 발견된 38억년된 돌이 만약 앞에서 언급한 것과 같은 전혀 엉뚱한 이유로 인해서라면 지구 연령에 대한 오차를 염두에 두지 않는다는 것은 무리한 일입니다. --musiki

일단, '어려운 현상'과 '그보다 더 발견하기 힘든 현상'의 두 가지가 있다면, 그 두가지가 동시에 발견될 가능성은 그 사이의 특정한 인과관계를 제시하지 않는 한 더욱더 낮겠지요. 따라서 하필 그 암석에게 그런 '어려운 현상'이 나타났을 것이라는 주장은 적당한 근거를 제시하지 않는 한 신뢰를 받기 힘들 것 같습니다. 그런데 '핵분열로 현상'이 나타났다면 그것은 그 자취를 남기고 추적할 수 있다는 것은 위 링크 글에 언급된 대로이므로, '핵분열로 현상'과 38억년의 연대측정 결과는 현재로서는 관련성이 보이지 않습니다.
다음. '전혀 엉뚱한 이유'를 가정할 수 있다는 이유로 '측정을 포기'하거나 '측정의 신뢰성을 무시'하는 것은 그다지 납득이 가는 방법이 아닌 것 같습니다만. 최종적으로는 틀렸다고 판정이 날 지언정 일단 최선의 노력을 다해 측정하고 설명하는 것은 '무리한 일'이 아니라 '과학적 방법론'이 아닐까요? 위의 링크 글에서 언급되듯 그 '전혀 엉뚱한 이유'도 발견 후 몇 년 이내에 그러한 노력의 결과로 설명에 성공했고 적절한 연대를 추정해 낼 수 있었으며, '전혀 엉뚱한 이유'로 수성의 근일점 이동이 있었음에도 불구하고 과학자들은 뉴턴 이론을 버리는 대신 그것으로써 많은 것을 설명하고 발견해냈습니다. 오차가 있고 이론과 실험 사이의 괴리가 존재하는 것은 어느 과학 이론에서나 어느 시대를 막론하고 사실이었으며, 이는 말할 필요도 없이 모든 과학자들이 이미 염두에 두고 있는 것입니다. '무리한 일'이라는 표현이 그다지 맞지 않는다고 봅니다. --Alphard
학문적인 범위에서의 의문점이고 해소할데가 없어 여쭙는 것이니 합당한 답변을 기대합니다.
제가 잘 답변한 것인지 잘 모르겠습니다만, 기본적으로 지구의 나이와 방사성 동위원소 연대측정법에 대한 자료는 talkorigins.org 에 나름대로 잘 정리되어 있습니다. 나중에 보충할 것이 생기면 다시 추가하기로 하고 일단은 이정도로. 아래는 참고자료입니다. -- JikhanJung

[http]isochron-dating
[http]age of the Earth FAQ
방사성연대측정법에 대한 토론을 하시는데에 혹시 참고가 될까 해서 몇 가지 문서에 대한 링크를 올리겠습니다. 이 문서에 의하면 방사성연대측정법의 종류는 약 40여가지가 넘으며 이렇게 많은 측정방법이 대개 일치하는 결과를 보여준다고 합니다. 하이텔의 옛 진화창조토론에서 퍼온 글입니다.


각종 연대측정법의 몇몇가지는 전혀 가치없는 데이터를 보여주기도 하고 몇몇가지는 아주 짧은 연대만을 계산할수 있다던지 하는 점도 유념하시길 바랍니다. 대체로 십여가지의 방법이 합당한 방법으로 사용되며 지구 연대에 대한 계산법은 두세가지의 방법으로만 추정이 가능한걸로 압니다. 물론 대체로 비슷한 연대를 보여주고 있구요. --musiki

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1.2. musiki 의 지구 연대 오차 시나리오

외계에서 달에 해당하는 거대한 행성이 지구와 충돌을 일으켜 둘의 연대가 섞여버렸을 수 있다는 상상을 하고 있습니다. 그러므로 38억년된 지구의 암석도, 외계 운석이나 달의 45~6억년된 암석도 외계에서 온 것이라는 추측입니다. 달이 태양계의 그것이 아닌 외부의 충돌로 생겼다는 학설은 이미 기존에 있는 것입니다. 그렇다면 45억년이라는 지구의 연령에 대한 의문으로 충분히 남을 수 있습니다. --musiki

둘의 연대가 섞여버렸을 수 있다.. 는 것도 냉정하게 말해서 musiki 님의 막연한 상상에 불과합니다. 지구가 어느 정도 모양을 갖춘 이후에 거대한 행성이 지구와 충돌했다면 그에 수반되는 여러가지 흔적들이 남을 수밖에 없습니다. 하다못해 지름 10km 밖에 안되는 운석이 충돌하더라도 지름 100km 짜리 거대한 크레이터가 생기고 그 주위의 암석들이 열변성을 받아 증거가 남을텐데.. (중생대의 마지막을 장식하는 멸종의 원인을 이 운석으로 많이들 생각하죠)

[http]http://www.3jeong.com/astro/moon/hotnews2001/moon.impact-010816.html 지금까지 제가 내온 의견들 모두 기존의 학설들로부터 유추되어왔다는 것 정도는 이제쯤 인지하실때라고 생각합니다마는... --musiki

태양계의 생성과정을 성운설 ('설' 입니다) 이렇게 설명하죠. 밀도가 높은 원시 태양 성운이 압축되어 가운데는 태양이 형성되고 주위를 돌던 성간 물질들 역시 회전하며 압축되어 작은 덩어리들(planetsimal)이 됩니다. 이 작은 덩어리들이 서로 부딪쳐서 합쳐지며 점점 커지고 그 중 큰 것들은 행성이, 작은 것들은 운석이나 위성들이 됩니다. 행성들은 계속해서 운석들의 폭격을 받으며 덩치를 키우는데, 이 때 충돌에 의한 에너지 때문에 초기 지구는 암석들이 녹아있는 상태라고 봅니다. 시간이 흘러 지구 표면이 식고 운석들의 충돌도 뜸해지면 녹아있던 암석들이 고화되어 진짜 암석이 되겠죠. 방사성 동위원소 연대측정법에서 사용하는 시계는 바로 이 시점에서 작동을 시작하게 됩니다. 우주공간을 떠돌던 운석들은 처음에 뭉쳐진 상태 그대로 있기 때문에 태양계가 생성되던 시점에서 고체가 되었고, 지구같은 행성은 그보다 나중에 고체가 되었기 때문에 지구에 있는 암석의 나이가 당연히 운석보다 적게 나올 겁니다. 어쨌거나 지구가 생성된 것은 태양계의 성간물질들이 뭉쳐지면서 운석, 소행성, 행성들이 만들어지는 그 시점이라고 보기 때문에 하늘에서 떨어진 운석의 나이가 대충 46 억년 근처로 나온다면 지구의 나이도 대략 그와 비슷하다고 보는 겁니다. 지구에서 가장 오래된 암석이 38 억년이라고 한다면 그 때 고화된 암석이 지금까지 그대로 남아있다는 얘기죠. 그 이전에 고화된 암석도 언젠가 발견될지 모릅니다. 발견이 안 될 수도 있죠. 일단 고화되었다가 다시 녹아버렸을 수도 있고, 후대에 모두 침식되어 없어져 버렸을 수도 있으니까. 46 억년이라고 하는 지구의 나이에 대한 의문을 품으시려거든 먼저 태양계의 나이에 의문을 품으셔야 할 겁니다. -- JikhanJung

방사성 동위원소 측정법은 고화되어있는지 액화되어있는지가 영향을 끼칩니까? 님의 말씀대로라면 액체상태든 고체상태든 상관없이 방사성 동위원소 측정법에 영향을 "안끼쳐야만" 합니다마는? 45억년전에 액체상태였어도 그당시 수치로 나와야 한다는 것 아니겠습니까? 오히려 38억년 된 암석이 천연 핵분열로의 방사선을 받았다든지, 아니면 운석으로 떨어진 것에 불과하다던지 하면 그 수치는 다소 불안해지는 것이 당연하다고 봅니다마는... 그리고 달은 태양계 행성들과 동시에 생성된것이 아닌것이 밝혀진지 오래입니다. 저는 상식차원에서 알고 있는데 다른 분들은 그게 비주류적 의견인줄 생각하고 계시군요... -musiki

JikhanJung님의 어느 말씀을 따르면 '액체상태든 고체상태든 방사성 동위원소 측정법에 영향이 없다'는 결론이 나오는지요? '시계는 이 (고화되는) 시점에서 작동을 시작'한다는 구절밖에는 못 찾겠습니다만 이는 그와는 정반대군요. '붕괴 자체'에는 물리적 상태의 영향이 없지만 '시계의 작동'에는 영향이 있습니다. 그리고 현재 정설로 받아들여지다시피 하고 있는(천문학자들이 이 쪽에 그다지 큰 관심을 보이는 것 같지가 않아서 정설인지 정확히는 모르겠습니다) '대충돌설'에 따르자면 달의 나이는 태양계의 나이보다 젊은 것이므로 지구 나이의 '하한선'을 주겠지요. 크게 문제가 될 것 같지는 않습니다. -- Alphard

붕괴 자체는 핵 내부의 조건에 의해 일어나는 것이므로 물질의 상태에 영향을 받지 않지요. 하지만 특정 암석, 정확히는 광물 내의 원소 함량이 결정되는 것이 바로 고화되는 시점입니다. 마그마가 액체에 가까운 상태일 때는 그 안의 원소들이 비교적 자유롭게 움직이다가 온도가 내려가 고화되면서 광물의 결정구조가 형성되고 그 시점에 결정구조의 특정 위치에 방사성 동위원소가 자리잡게 됩니다. 그 이후에는 원소가 거의 움직일 수 없게 되죠. 그래서 고화되는 시점에서 시계가 작동을 시작하게 되는 겁니다. -- JikhanJung

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