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젊은 지구, 오래된 지구 가설보다 훨씬 더 합리적인 이유

- [창조신앙과 과학] ‘젊은 지구론’ 지지하는 헬륨 방출 문제

편집국|2020-09-26
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▲  우라늄의 방사성붕괴 사슬과 알파선 방출. 

지구 45억년이라면, 헬륨 양 지금보다 훨씬 많아야
첫째날 창조된 ‘빛’, 방사성동위원소 가속붕괴라면
사람 없으니 붕괴열 문제 없고, 헬륨 탈출도 가능해

우라늄 창조과학 방사성붕괴

지르콘(ZrSiO4)은 지르코늄(Zr)과 결합된 규산염 계열에 속하는 단단한 광물이다. 지르코늄은 부식에 강하고 중성자 흡수단면적이 작아서 산화지르코늄(ZrO2)은 원자로의 핵연료봉으로도 사용된다.

지르콘은 대개 흑운모(biotite)에 의해 감싸져 있으며, 결정의 크기는 0.1-0.3mm 정도로 매우 작다. 그럼에도 불구하고 지질학적으로 매우 중요한 광물이다.

그 이유는 우라늄-납 방사성 붕괴(radioactive decay)를 이용한 연대측정에 사용되고, 풍화에 무척 강하고 변질이 잘 되지 않으며, 결정이 만들어지는 온도가 매우 높아서 마그마 속에서도 용융되지 않고 잘 보존되는 특성 때문이다.

지르콘 형성 과정에서 일부 지르코늄 원자가 입자크기, 전하값 등이 비슷한 우라늄과 치환된다. 이 때 지르콘 형성 이전에 방사성 붕괴로 만들어진 납은 지르콘 결정 속에 들어가지 못한다. 지르콘 내부 지르코늄과 치환된 우라늄은 방사성붕괴를 거쳐 최종적으로 납으로 변한다.

따라서 지르콘 속에 포함되어 있는 납은 지르콘이 만들어진 이후에 우라늄의 방사성 붕괴에 의해서만 만들어지는 것이다.

지르콘 결정 내에 자원소인 납의 함량이 많다는 것은 우라늄의 반감기가 45억 년이라는 것을 감안할 때, 지르콘이 매우 오래 되었다는 것을 암시해 준다.

필자는 여기서 그러한 주장이 왜 잘못되었는지를 헬륨방출 문제를 통하여 반증하고자 한다.

지르콘 내 지르코늄과 치환된 우라늄(U238)은 아래와 같은 알파선, 베타선, 감마선을 방출하는 방사성붕괴 과정을 거쳐, 최종적으로 안정된 납(Pb206)이 된다.

이 과정에서 알파 붕괴만 총 8번을 거치게 되는데, 알파선은 헬륨의 원자핵에 해당하므로 원자로부터 탈출하는 순간 헬륨 원자로 변한다. 즉, 방사성 붕괴에서 새로 생성된 납의 원자(또는 몰)의 8배에 해당하는 헬륨의 원자(또는 몰)가 만들어지는 것이다.

미국 창조과학회(ICR)는 방사성 동위원소 연대측정에 의한 지구 연대의 문제점을 규명하기 위하여 RATE 프로젝트를 수행하였다.

러셀 험프리스(Russell Humphreys) 박사 팀은 지르콘 결정의 헬륨방출 문제와 관련된 지구연대 문제에 관한 연구를 수행하였다.

납-납 법에 의해 약 15억년 전 생긴 것으로 알려진 선캄브리아기 기반암에서 채취한 지르콘 샘플의 헬륨 확산계수를 구하는 것이었다.

지하 깊숙이 200도 넘는 환경에서 채취한 샘플에서는 잔류 헬륨의 양이 적었으나, 지표면과 가까운 샘플에서는 잔류 헬륨의 비율이 매우 높은 것으로 나타났다.

예를 들어 지하 1km에서 채취한 샘플(약 100도)에서는 방사성 붕괴에서 생성된 총 헬륨 양의 약 58%가 여전히 지르콘 내에 잔류하고 있음이 확인되었다.

15억 년이 지난 지르콘 샘플에서 이처럼 높은 비율의 헬륨이 잔류할 수 있다는 것은 다음 두 가지 가정을 전제로 해야만 한다. 즉 과거에 많은 방사성붕괴가 있었다는 것과, 헬륨의 방출속도는 아주 느렸어야 한다는 것이다.

러셀 험프리스 박사는 이것의 진위를 파악하기 위해 동일과정설 모델과 창조론 모델을 만들어 결과를 비교하였다.

동일과정설 모델은 15억년 동안 방사성 붕괴를 하면서 헬륨이 천천히 탈출하는 모델이고, 창조론 모델은 6천년 전에 가속붕괴를 하여 생긴 헬륨이 빠르게 탈출하는 모델이다.

실제 헬륨의 확산계수는 매우 커서, 수세기 만에도 헬륨은 쉽게 지르콘을 탈출할 수 있는 것으로 판명되었다.

비평가들은 지르콘을 둘러싸고 있는 흑운모가 헬륨의 방출을 방해할 것이라 여긴다. 험프리스 박사는 이것을 반박하기 위해 아래 그림과 같이 흑운모에 둘러싸인 지르콘으로부터 헬륨이 방출되는 모델(그림 2 왼쪽)을 제시하였다.

‘그림 2’ 오른쪽의 실선과 둥근 점은 창조론 모델에 따라 계산된 헬륨 확산계수이고 점선과 네모로 된 점은 동일과정설 모델에 따른 확산계수이다.

흑운모에서의 헬륨 방출실험은 이루어진 적이 없기에, 같은 불활성기체인 아르곤 실험결과를 바탕으로 두 원자간의 입자 크기와 질량을 보정한 후 나타낸 헬륨 확산계수는 그림에서 사선으로 빗금 친 부분으로 수렴된다. 즉 창조론 모델과 더 일치한다는 것이며, 지르콘 샘플은 수천 년 밖에 도지 않았다는 것을 의미한다.

험프리스 박사는 이것을 설명하기 위해 과거 급속한 가속붕괴가 있었다고 제안했다. 그것은 아마 창세기 대홍수 기간이었을 것이라고 추정한다.

▲ 지르콘 결정의 헬륨 확산 모델과 확산계수 비교. ⓒD. Russell Humphreys 

한편 헬륨은 지르콘 결정에서뿐 아니라, 모든 우라늄(U238→Pb206, U235→Pb207)과 토륨(Th232→Pb208)의 방사성 붕괴 과정에서도 알파 붕괴를 통해 만들어진다.

납 원자 한 개가 생길 때마다 각각의 붕괴 과정에서 8개, 7개, 6개의 헬륨이 만들어진다. 헬륨의 일부는 지하 천연가스에 포함되어 있지만, 대부분은 대기권에 포함되어 있는데 그 농도가 약 5ppm 정도이다.

반면 지표면에 있는 우라늄, 토륨 및 납의 동위원소의 양을 통해 지구의 나이에 따른 헬륨의 양을 추정할 수 있다. <표 1>은 우라늄, 토륨, 납의 농도 및 납 동위원소의 분포비를 나타낸다.

지구가 정말로 45억년 되었다면, 이 값을 토대로 우라늄과 토륨의 방사성 붕괴로 생긴 헬륨의 양은 현재 측정되는 값보다 수만에서 수십만 배는 더 많아야 하다. 이것은 실제로는 지구가 오래되지 않았다는 것을 반증한다.

오랜 지구를 신봉하는 진화론자들은 오랜 시간 동안 헬륨이 서서히 우주로 탈출하였을 것이라고 막연히 주장한다. 하지만 방사성 붕괴와 같은 자연적인 생성원도 없고, 헬륨보다 더 가벼운 수소가 대기 중에 약 0.5 ppm 존재한다는 사실로 보아, 특별한 방출 메커니즘도 제시하지 않고 헬륨이 지구 대기를 탈출했을 것이라는 생각은 터무니 없다.

▲ 지표에서의 우라늄, 토륨, 납의 농도 및 납의 동위원소별 분포 비율. 

앞에서 살펴본 바와 같이, 우라늄과 토륨과 같은 광물들의 알파 방사성붕괴 과정에서 생겨나는 헬륨의 양, 지르콘 결정 내에 잔류하고 있는 헬륨의 양과 탈출속도 등을 종합해 보면 분명히 많은 양의 방사성 붕괴는 일어났지만 지구연대는 오래되지 않았다는 결론에 도달할 수 있다.

RATE 프로젝트에서는 그 이유를 과거 창세기 대홍수 기간 동안 가속붕괴(accelerated decay)가 일어났기 때문이라고 결론을 내리고 있다.

그러나 이러한 주장에도 문제점이 있다. 홍수 기간에 엄청난 가속붕괴가 일어났다면, 방주에 타고 있던 노아의 가족들은 엄청난 붕괴열에 살아 남을 수 없었을 것이다. 또한 그 때 대량으로 생성된 헬륨이 지구에 남아있지 않다는 것도 설명이 불가능하다.

이에 필자는 다른 주장을 펼치고자 한다. 지구상에 존재하는 동위원소(isotope)는 크게 두 종류로 분류할 수 있다.

하나는 지구에서 만들어진 동위원소들로서 대기 중 질소가 우주에서 온 중성자선과 핵반응으로 생긴 방사성탄소(C14), 방사성붕괴 산물인 납(Pb206, Pb207)과 같은 것들이 포함된다.

나머지는 지구에서 그 기원을 찾을 수 없는 것들로서, 우라늄(U235, U238)이나 납 동위원소 중에서도 방사성 붕괴사슬에서 발견되지 않는 납(Pb204)과 같은 것들이다.

필자는 이 중에서 두 번째 부류에 속하는 원소들의 기원을 우주적 기원과 성경적 기원에서 젊은 지구의 해답을 찾을 수 있다고 본다.

먼저 우주적 기원에 의하면, 철보다 원자번호가 높은 원자는 별의 폭발(초신성)에서 r-process 또는 s-process 가설로 불리는 중성자 포획 핵반응에서 만들어진다고 알려져 있다.

별의 폭발은 고온의 플라즈마 상태를 유발할 것이고, 플라즈마 상태에서는 원자가 해리(dissociation)되어 원자핵과 전자의 분리가 일어나서 수만 배의 가속붕괴가 가능한 것으로 알려져 있다.

따라서 이 때 만들어진 원소들은 생성과 동시에 급격한 가속붕괴를 거쳐서 모원소와 자원소가 방사평형을 이룬 상태로 지구에 들어왔다고 볼 수 있기 때문에, 지구에서의 자원소의 초기값 문제가 쉽게 해결된다.

지르콘 결정도 초신성에서 만들어진 후 지구에 들어온 것으로 보면 헬륨 문제도 해결된다. 방주에 탄 노아의 가족이 문제가 되지도 않았을 것이다.

다음은 성경적 기원을 살펴 보자. 성경 창세기 1장에는 창조 첫째 날 하나님이 하늘과 땅을 만드신 후 “빛이 있으라”고 명령하셨다고 기록되어 있다.

이 빛이 창조 넷째 날 만들어진 별빛과 태양 빛은 아니었을 것이다. 방사선도 일종의 빛이므로, 하나님이 최초로 빛을 창조하셨을 이 때 방사성동위원소의 가속붕괴도 동시에 일어났을 것으로 상상해 볼 수 있다.

이 때는 지구에 사람도 살기 전이었으니 붕괴열 문제도 없었을 것이고, 둘째 날 만든 궁창도 없었으니 헬륨 탈출도 가능했을지 모른다.

어떤 기원을 믿더라도 지구가 젊다는 것이 오래된 지구 가설보다 훨씬 더 합리적이라는 생각을 해 본다.

박재원
원자핵공학 박사
원자력발전 기술사
한국창조과학회 이사
(주)미래와도전 기술이사
분당가나안교회 안수집사

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