방사성동위원소 연대측정에 관한 진실

방사성동위원소를 이용하여 암석이나 광물의 연대를 측정하는 방법을 방사성 연대측정이라고 한다. 방사성 연대측정에 의해 지구의 생성연대는 대략 46억 년이며, 이는 과학자들뿐만 아니라 현대를 살아가는 대부분의 사람들에게 의심이나 비판 없이 받아들여지고 있다. 심지어 방사성 연대측정법이 매우 과학적이고 신뢰할 만하기 때문에 지구의 나이는 과학적으로 증명된 것처럼 주장한다. 이것은 1만 년에도 미치지 못하는 성경적 지구연대와 매우 큰 차이를 보이므로 기독교인들도 성경을 불신하거나 오래된 지구연대를 성경적 지구연대와 일치시키기 위한 다양한 타협이론들을 받아 들이고 있다.

자연계에는 안정되지 못하여 알파, 베타, 감마와 같은 방사선을 방출함으로써 스스로 안정된 원소로 변환되는 원소들이 있다. 이러한 원소들을 방사성동위원소라고 하고, 변환되는 과정을 방사성붕괴라고 한다. 예를 들어, 우라늄은 방사성붕괴를 거쳐 납이 되는데 우라늄과 같이 붕괴하기 전의 원소를 모(母)원소, 납과 같이 붕괴 후의 원소를 자(子)원소라고 한다. 모원소의 양이 절반으로 줄어드는 데 걸리는 시간을 반감기라고 하는데 아주 특수한 환경을 제외하고는 이 반감기가 일정하다는 특징을 갖는다. 이 때, 반감기가 한번 지날 때 마다 모원소는 현재 값의 50%로 감소하는 지수함수적 특성을 가진다.

우라늄은 44.7억 년의 반감기로 여러 단계의 방사성붕괴를 거쳐 납으로 변환된다.

▲방사성붕괴에 의한 지수함수적 변화

이러한 원리를 이용하여 연대측정법에 응용한 식이 바로 일차미분방정식으로 표현되는 러드포드-소디 방정식이다.

dN/dt=-λ N           N=N_0 e^(-λt)

여기서 N, N0는 각각 시료에 들어 있는 원소의 현재값과 초기값을 나타낸다. λ는 붕괴상수로서 반감기에 의하여 결정되는 값이다. 반감기는 방사능을 띠고 있는 모원소가 단위 시간당 방출하는 방사선의 개수를 측정하면 쉽게 구할 수 있다. 따라서 시료에 들어 있는 모원소의 초기값과 현재값만 안다면 시간(t)을 구할 수 있게 된다. 만일 최초의 시료 속에는 모원소만 100% 존재했다면, 현재 모원소와 자원소의 양을 더한 값이 최초의 시료 속에 있었던 모원소의 양이 되므로 100% 모원소만 존재하던 때로부터 지금까지의 시간을 계산할 수 있다. 이처럼 러더포드-소디 방정식을 이용하면 방사성 연대측정의 원리는 매우 단순하면서도 수학적이기 때문에 대부분의 과학자들이 그 결과도 의심하지 않고 받아들이고 있는 실정이다.

▲방사성 연대측정은 흔히 모래시계와 비교된다.

그러나, 방사성 연대측정에는 아직 증명되지 않았고 앞으로도 증명될 수 없는 다음과 같은 전제조건들이 포함되어 있다. 첫째는 초기값에 관한 전제조건이다. 최초에는 모원소만 있었고 자원소는 없었다고 가정하거나, 자원소의 초기값을 알아야 하지만 이미 지나간 과거의 데이터를 알 수가 없다. 모래시계가 처음부터 시작되었는지 모래가 반쯤 흘러내린 후에 뒤집었는지를 알 수가 없는 것이다. 둘째는 현재 상태에 관한 전제조건이다. 현존하는 자원소는 모두 모원소가 붕괴해서 생겼다는 가정이 전제되어야 한다. 즉 모원소와 자원소의 비율이 방사성붕괴 외에 외부로부터의 유입이나 유출에 의해 왜곡되지 않았어야 한다. 실제로 지구에는 홍수, 화산, 운석충돌 등에 의해 모원소와 자원소의 비율이 유지되어 있는 곳이 거의 없다. 깨진 모래시계로 측정한 시간은 신뢰할 수가 없다. 셋째는 방사성동위원소의 반감기가 변하지 않았다는 전제가 필요하다. 만일 누가 모래시계를 흔들었거나 가열했다면 모래가 떨어지는 속도가 달라졌을 수도 있다. 성운가설에 따르면, 지구를 구성하는 대부분의 원소들은 초신성 폭발에서 기인하는데 초신성은 고온의 플라즈마 상태로 그러한 환경조건에서는 충분히 가속붕괴가 일어날 수 있다는 것이 실험적으로 증명되고 있다.

자원소의 초기값 문제를 해결하기 위하여 포타슘-아르곤을 이용한 용암의 연대측정법이 개발되었다. 이것은 자원소인 아르곤이 휘발성이 강한 기체라는 사실을 이용하여 용암이 분출되어 용융상태에 놓였을 때 그 이전에 생성되었던 아르곤은 모두 탈출할 것이기 때문에 용암이 굳어진 시기의 자원소인 아르곤의 초기값은 0으로 가정하기 위함이다. 그러나 포타슘-아르곤 연대측정법을 이용하여 계산된 화산암의 연대는 분출시기를 알고 있는 화산의 실제 연대와 매우 다른 결과를 나타내는데, 이것은 용융상태에서 탈출하지 못하고 용암 속에 잔류한 초과아르곤 문제로 이미 잘 알려진 사실이다.

▲루비듐-스트론튬 아이소크론. 46억년 동안 방사성붕괴에 의해 더해진 자원소의 양이 초기값의 1% 미만이다.

최근에는 자원소의 초기값 문제를 완전히 해결했다는 등시선(아이소크론) 연대측정법이 등장했다.이것은 방사성붕괴와 무관하게 자연에 존재하는 자원소의 동위원소를 이용하여 방사성붕괴에 의한 자원소의 초기값과 연대를 알아내는 방법인데, 사실은 초기값 문제를 완전히 해결했다기 보다는, 아이소크론의 기울기만 알면 초기값과 무관하게 시료의 연대를 계산할 수 있다고 주장하는 것이다. 그러나 자세히 살펴보면, 긴 연대에 해당하는 아이소크론의 기울기를 미리 결정해 놓고 가로축과 세로축의 비율을 달리하여 아주 적은 변이값을 가진 소수의 시료들을 취사선택하고 있다는 것을 알 수 있다. 등시선 연대측정법은 반감기가 대략 500억 년(지구의 나이라고 주장하는 46억 년에 비해 10배 이상 길다)이 넘는 동위원소(예를 들어, 루비듐-스트론튬 계열, 사마륨-네오비듐 계열)에 대해서만 사용하는데, 이것은 아주 적은 방사성붕괴 만으로도 46억 년의 기울기에 해당하는 아이소크론을 얻을 수 있기 때문이다. 실제로 루비듐-스트론튬 연대측정법에서 46억 년의 기울기에 해당하는 아이소크론을 보면, 자원소의 현재값이 초기값과 거의 유사함을 알 수 있다. 즉 46억 년 동안 방사성붕괴에 의하여 더해진 자원소의 양은 초기값의 1%에도 미치지 못함을 알 수 있다. 즉 자원소의 99% 이상은 방사성붕괴가 아니라 초기값으로 처음부터 존재했다는 것을 증명하고 있다. 이것은 동위원소간 비율이나 측정 오차가 단 1% 만 발생해도 연대에 있어서 46억 년의 왜곡이 발생할 수 있음을 말해 준다. 반감기가 이들보다 짧은 우라늄-납 또는 포타슘-아르곤 계열에 대해서도 각각 방사성붕괴와 무관한 동위원소(204Pb, 36Ar)가 자연에 분포하므로 등시선 연대측정법을 사용할 수 있음에도 불구하고 사용하지 않고 있다. 그 이유는 이런 동위원소들에 대해서는 결코 46억 년에 해당하는 아이소크론을 만족하는 시료를 구할 수가 없기 때문이다.

이제 방사성 연대측정법은 지구의 나이를 1억 년 이내의 오차범위 내로 정확하게 추정하기에 이르렀다. 방사성 연대측정법이 개발되기 이전에도 사람들은 과학적인 방법을 동원하여 지구의 나이를 알기를 원했다. 켈빈이 지구냉각 속도를 이용하여 지구의 나이가 1억 년을 넘지 않을 것이라고 주장한 것이 대표적이다. 그러나 진화론이 타당하기 위해서는 최소 10억 년 이상의 지구연대가 필요했는데, 반감기 45억 년의 우라늄을 이용한 방사성 연대측정은 그 갈급함을 해소시키기에 안성맞춤이었다. 허트만, 패터슨, 홈즈와 같은 과학자들이 경쟁적으로 이 대열에 뛰어들었고, 초기에는 자원소인 납의 초기값 문제, 우라늄 및 납의 동위원소 존재에 대한 고찰도 없이 45억 년이라는 지구연대가 탄생했고 진화론자들은 환호했다. 심지어 지구 초기에는 U-235와 U-238이 동일한 양으로 존재했을 것이라는 가정도 서슴지 않았다. 이러한 가정들은 납-납 연대측정법, 등시선 연대측정법에서 이미 틀린 것으로 시정되었다. 지구에서 가장 오래된 암석의 하나라는 미국 미네소타주에서 발견된 편마암은 우라늄-납 일치-불일치 방법을 사용하여 35.6억 년 되었다고 주장하는데, 그들이 주장하는 일치곡선(Concordia diagram) 연대는 모두 초기에 자원소인 납이 없었다는 가정하에 만들어진 것을 사용하고 있다.

최근에는 운석이나 월석을 사용하여 방사성 연대측정법에 따라 지구의 나이를 추정한다. 성운가설에 따라 모든 태양계 행성들이 같은 시기에 만들어졌다는 가정을 하는 것이다. 그러나 성운가설은 직경 1km 이하 단계인 미행성체의 형성에 대한 증명된 모델을 아직까지 제시하지 못하고 있다. 지구의 나이는 자원소의 초기값이 0이라고 가정했을 때에 계산된 45억 년에서 초기값이 99% 이상임이 밝혀진 현재까지도 여전히 그 범위를 벗어나지 못하고 있는 실정이다. 지구상에 존재하는 대부분의 동위원소들의 비율이 여전히 1% 이내의 오차 범위로 거의 일치한다는 사실과 자원소의 초기값이 현재값과 거의 차이가 없다는 사실은 실제로 지구가 매우 젊다는 것을 역설적으로 증명하는 것이다.

박재원 (㈜미래와도전 기술이사, 핵공학 박사, 한국창조과학회 이사)