‘우라늄’하면 무엇이 떠오르는지 물어보자. 그러면 대부분의 사람들은 원자폭탄이나 원자력발전의 원료를 떠올릴 것이다. 전쟁이나 무기에 관심이 있다면 ‘열화 우라늄탄’(우라늄을 이용한 폭탄)’이라고 대답할 수도 있다. 결국 우라늄은 우리와 상관이 없는, 좀 무섭고 꺼림칙한 것으로 치부되는 셈이다.  

하지만 필자는 우라늄은 생각보다 우리와 가까이 있다고 말하고 싶다. 원자력발전 옹호론자의 말처럼 우라늄이 친환경적인 전력을 생산하는 연료라서가 아니다. 우라늄은 지구가 언제 생겼고, 어떤 지질학적 사건들이 발생했는지 알려주기 때문이다. 바로 우라늄의 방사성 동위원소 붕괴현상 덕분이다.

기존에는 지층이 쌓이는 순서에만 의존해 지구의 나이를 추적했다면 지구가 약 45억년이나 된 행성이라는 점을 결코 알아내지 못했을 것이다. 또 우주에서 새로운 행성을 발견하더라도 그 별의 역사에 대해 제대로 알 수 없다. 이런 의미에서 ‘우라늄 동위원소의 발견’은 환경해양에너지 분야의 20세기 이후 10대 사건으로 뽑히기에 충분하다.

방사능의 탄생, 그리고 지구 나이의 측정

1896년 프랑스 과학자 앙리 베크렐이 방사능을 밝힌 이래 방사능과 방사성 동위원소는 생활의 여러 분야에서 활용돼 왔다. X-ray를 이용한 골절사진을 찍는다던지, 비파괴검사로 용접 부위를 살피는 것이 대표적이다. 방사성 동위원소로 암세포를 치료하는 기술이나 신체 내부를 진단하는 일도 우리에게 익숙하다.

 방사능과 방사성 동위원소의 역할을 여기서 그치지 않는다. 우주와 지구의 주요 사건이 일어난 시기를 설명할 ‘연대측정’에도 주요하게 이용되기 때문이다. 흔히 연대측정이라면 나무의 나이테를 세거나 퇴적된 지층의 수를 떠올릴 수 있다. 하지만 이런 방법으로는 우주의 탄생이나 지구의 역사를 정확히 알 수 없다. 방사성 동위원소를 활용한 연대측정만이 과거 일의 정량적 시기를 알려준다.

물론 과거에는 지층으로 지구 나이를 추정하려는 시도가 있었다. 대표적인 사람이 1970년대 윌리엄 스미스와 그의 제자들이다. 이들은 ‘지층 누중의 법칙’을 이용해 지구의 연대를 9600만년으로 계산했다. 절대온도 K로 유명한 영국의 과학자 윌리엄 톰슨(캘빈경)은 지구의 나이는 1억년 이상 될 수 없다고 단언하기도 했다. 그는 초기 지구를 용융된 액체 상태로 가정했는데, 열의 전도 냉각을 계산해보면 이런 결론이 나온다는 것이다. 1899년 톰슨은 지구 나이의 범위를 2000만~4000만년으로 줄여서 다시 보고했다. 모두 오늘날 우리가 알고 있는 지구의 나이와 거리가 있는 수치들이다.  

그림 2 방사성 동위원소의 반감기를 나타낸 그래프. 모원소가 붕괴돼 딸원소가 되는 시간은 항상 일정하다.

[교육팁]

온도나 압력의 변화에 관계없이 일정한 속도로 붕괴해 안정된 원소로 변하는 방사성 동위원소는 우라늄 외에도 칼륨과 탄소가 있다. 이들의 반감기는 일정하므로 이를 통해 암석의 절대 연대를 측정할 수 있다.

우라늄은 붕괴돼 납으로 변하는데, 그 반감기는 45억 년쯤이다. 칼륨은 아르곤으로 변하며, 반감기는 약 13억 5000만 년이다. 탄소는 질소로 변하는데, 반감기는 5730년쯤이다. 오래된 암석의 연대 측정에는 반감기가 긴 우라늄-납이나 칼륨-아르곤이 사용되고, 가까운 지질연대는 탄소-질소로 측정한다. 이를 이용한 문제를 내고 풀어보자. 예를 들면 어떤 화성암의 칼륨 광물 속에 칼륨의 양은 1/4이 들어있고, 아르곤의 양이 3/4일 때 화성암의 나이를 계산해보는 것이다.

[교육 과정]

- 초등학교 3학년 과학, 우리생활과 물질

- 초등학교 4학년 과학, 지층과 화석

- 초등학교 5학년 과학, 화산과 암석

- 초등학교 6학년 과학, 여러 가지 암석

- 중학교 1학년 과학, 지각의 물질과 변화

- 중학교 2학년 과학, 지구의 역사와 지각 변동

- 고등학교 1학년 과학, 지구

- 고등학교 1학년 실과, 건설 기술의 기초