동위 원소 분별 작용의 설명

탄소의 동위 원소인 안정적인 탄소 13 (13C) 와 탄소 12 (12C)의 동위 원소 분별 작용은 이들 탄소의 원자 질량의 작용으로 자연적으로 일어나는 생화학적 과정의 결과로서 탄소 동위 원소의 비율에 변동이 생기는 것입니다. 이런 변동 사항은 시간과 자연적 방사성 소멸과는 상관이 없습니다.1 샘플 분별 작용 때문에 방사성 탄소 활동을 수정하는 것은 일반적인 일입니다. 그 결과로 생긴 연대를 “정상”이라고 합니다. 이것은 측정하는데 VPBD와 관련하여 -25 o/oo (per mille)로 수정했다는 것을 의미합니다. 일반 방사성 탄소 연대에서 이런 수정 요인들을 고려하여 반드시 더하거나 빼야 합니다.

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Beta Analytic의 연대 측정 요금에는 이미 C14 분석과 더불어 δ13C 측정 비용이 포함되어 있습니다. 따라서 δ13C 측정 값을 C14 분석과 상관없이 제공해 드리지만 물 샘플은 예외입니다. 요금에 문의 사항이 있으시면 연락 바랍니다.

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동위원소 분별 작용 측정의 중요성

정확, 정밀한 방사성탄소 측정값을 위해 안정 동위원소인 13C와 12C를 이용한 “동위원소 분별 작용”의 수정이 반드시 필요합니다. 이러한 에러를 줄이는 보정 요소들은 현대 참고 기준 물질과 측정 시료 사이의 물질 대사 과정과 호흡 과정에서 발생합니다. 측정 값은 “δ13C”라는 용어를 사용합니다.

Beta 연구소에서는 2개의 δ13C 값을 측정합니다:
– 하나는 전체 분별 작용 (자연상태, 화학적, AMS 발생)을 보정하는데 이용하는 값입니다.
이 값은 보고서에는 적혀있지 않지만, “일반 방사성탄소 연대 (Conventional Radiocarbon Age)”을 수정하는데 쓰입니다. 중요: 보고서에서 쓰인 “일반 방사성탄소 연대 (Conventional Radiocarbon Age)”이라는 용어는 결과값이 동위원소 분별 작용을 수정했다는 것을 의미합니다.

– 두번째는 별도의 동위원소 질량 분석기 (isotope ratio mass spectrometer)로 측정한 δ13C 값이며 이를 IRMS δ13C이라 합니다.
이 값은 시료 자체의 값이며, 보고서에 보여주는 값입니다.

“AMS δ13C” 값은 잘못 해석되어질 수 있습니다. 따라서 방사성탄소를 사용하는 연구자들은 그들 연구에서 사용된 δ13C 값이 IRMS δ13C 인지 AMS δ13C 값인지 반드시 알아야 합니다. 만약 AMS δ13C 이라면 , 먹이 사슬이나 대사 작용 과정 연구에 사용할 수 없습니다. Beta 연구소의 보고서에 적혀있는 δ13C 값은 모두 IRMS에서 측정한 값입니다.

동위 원소 분별 작용의 발생과 측정

AMS lab

탄소가 자연 상태에서 지질 화학적 전이를 하는 동안 분별 작용으로 인해 탄소 동위 원소들 (탄소12, 탄소13, 탄소14)의 평형 상태가 깨집니다. Craig씨 (1953)는 어떤 생화학적 과정으로 인해 탄소 동위 원소들 간의 평형 상태가 깨진다는 것을 처음으로 발견했습니다. 식물의 광합성 운동과 같은 일부 과정은 동위 원소간에 서로 호의적입니다. 광합성 작용 후 탄소13은 대기에 있는 자연 상태의 비율과 비교해 보면 1.8% 줄어듭니다. (Harkness,1977). 반대로 바닷물에 녹아있는 무기질 탄소는 대기 이산화 탄소와 비교하면 탄소13이 0.7% 많습니다.

14C/12의 비율 (반드시 정확하게 측정되어야 함) 에서 동위 원소 분별 작용이 13C/12C의 비율에서 측정한 동위 원소 분별 작용보다 거의 두 배가 됩니다. 동위 원소 분별 작용이 자연 상태에서 일어 났다면 연대 측정할 샘플에서 탄소 13과 탄소12의 비율을 측정해서 수정하면 됩니다. 일반적인 질량 분석기로 이 비율을 측정할 수 있습니다. 측정할 샘플의 동위 원소 비율을 델타 13C라 하며, 이것은 샘플에 있는 탄소13 량과 국제 표준인 PDB 탄산염에 있는 탄소 13량 사이를 천분의 몇 단위(mille 당)로 표시합니다. (Keith et al., 1964; Aitken, 1990). 따라서 델타 13C의 값은 PDB 기준으로 mille 당 (천분의 몇) 편차를 보여줍니다. PDB는 미국 South Carolina의 Peedee에 있는 백악질 베렘나이트 (Cretaceous belemnite) 형성과 관련 있는데, 최근에 VPDB로 이름이 바뀌었습니다 (Coplen, 1994).

샘플의 델타 13C 값은 샘플이 온 지역의 환경 그리고 만들어질 때 어떤 물질들이 섞였나 하는 상당히 중요한 정보를 줍니다. 왜나면 샘플의 동위 원소 값은 그때 그 상황이 일어났던 때의 동위 원소 형성과 깊은 관련이 있기 때문입니다. 해양성 조개 껍질의 경우 델타 13C 값이 -1 and +4 o/oo (per mille)인 반면, 민물 조개 껍질은 -8 and -12 o/oo (per mille)입니다. 따라서 그 조개 껍질의 자란 환경을 정확히 알지 못할 경우 델타 13C 값을 분석해서 가장 유사한 환경을 결정할 수 있습니다.

또한 분별 작용은 인공적 원인으로 생길 수 있는 탄소 동위 원소의 다양한 비율일 수도 있습니다. 예를 들어 실험실에서 여러 원인으로 분별 작용이 일어날 수 있습니다. 예를 들자면 샘플이 어떤 상태에서 다른 상태로 완전히 전환되지 않았거나, 실험실 한 쪽에서 다른 쪽으로 완전히 전환되지 않은 경우입니다. 액체 섬광 계측기의 경우 리티움 카바이드 (Lithium Carbide)를 준비하는 동안 아세틸렌이 제대로 합성하지 못하면 제대로 만들어지지 않고 동시 분별 작용이 일어납니다. 비슷한 경우로 만약에 가스 샘플이 전체적으로 평형 상태가 되지 못하면 진공 상태에 있는 가스 전이로 인해 분별 작용이 일어나 에러가 납니다. 이런 경우 대 질량이나 소 질량의 원자들이 선호됩니다. 하지만 만약에 전체 샘플이 어떤 한 상태에서 완전히 다른 상태로 전환될 수 있다면, (즉 고체에서 기체로, 아세틸렌에서 벤젠으로) 실험실에서 생기는 분별 작용은 일어나지는 않을 것입니다.

일반 방사성 탄소 연대 (BP)와 C13/12 교정

일반 방사성 탄소 연대 (Conventional Radiocarbon Age or CRA)라는 용어를 사용하는 방사성 탄소 측정 결과는 Radiocarbon이라는 잡지에서 Stuiver와 Polach (1977)이 설명하는 것처럼 일정한 매개 변수를 이용해 구합니다. 과거에 행해진 시간과 무관한 C14의 활동 수준을 CRA 측정치에 가정합니다. 이런 이론적인 C14 활동 수준은 국제 방사성 탄소 기준 절대값의 활동 수준과 동일합니다.

일반 방사성 탄소 연대 BP 는 방사성 탄소 소멸 공식을 사용해 계산합니다.

t=-8033 ln(Asn/Aon)

-8033은 14C의 평균 수명 시간을 나타내며 (Stuiver와 Polach, 1977). Aon 은 분당 현재 기준 활동 수이며, Asn 은 샘플에 대한 동등한 CPM이며, ‘ln’ 은 자연적인 로그 값입니다.

A CRA 는 다음 사항을 기초로 이루어집니다.

  • 반감기는 5568년이다.
  • 최근 방사성 탄소 표준으로 옥살 산 I과 II를 사용한다.
  • 탄산염 표준 VPDB (분별 작용과 델타C13 값 이상)에서 δ13C 비율과 관련하여 정상화되거나 25.0 per mille의 기본 값으로 샘플의 동위 원소 분별 작용(델타 C13)을 수정한다. ;
  • 0 BP을 서기 1950년으로 정한다. 즉 모든 탄소14의 나이는 1950년에서 뒤로 간다.
  • 모든 탄소 14은 시간이 지나도 항상 일정한 상태로 유지한다는 가정.

참고 문헌:

1. Royal Ervin Taylor, Radiocarbon Dating: An Archaeological Perspective (1987), Academic Press