प्राचीन अवशेषांच्या कालमापनासाठी वापरल्या जाणाऱ्या प्रारणमापनाच्या भौतिकी रासायनिक पद्धतींमधील सर्वांत प्रसिद्ध पद्धती. ही पद्धत प्राचीन वस्तूतील किरणोत्सारी कार्बन-१४ या समस्थानिकाचे प्रमाण म्हणजेच सध्याच्या जैविक नमुन्यातील त्याच्या प्रमाणाच्या तुलनेत मोजणे यावर आधारलेली आहे.
अमेरिकन रसायनशास्त्रज्ञ विलर्ड फ्रँक लिबी (१९०८-१९८०) यांनी ही पद्धत शोधून काढली (१९४९) आणि १९६० मध्ये ती परिपूर्ण केली. या शोधाबद्दल त्यांना १९६० सालच्या रसायनशास्त्राचे नोबेल पारितोषिक मिळाले. पुरातत्त्वाच्या इतिहासात कार्बन-१४ कालमापन पद्धतीने क्रांती घडवली.
पृथ्वीवरील सर्व सजीव व निर्जीव वस्तूंमध्ये कार्बन हे मूलद्रव्य आढळते. सजीव व निर्जीव वस्तूंमध्ये या मूलद्रव्याचे सतत घडणारे हस्तांतरण हा कार्बन चक्राचा (Carbon cycle) भाग सर्व सजीवांमध्ये असल्याने प्राचीन कालखंडातील कोळसा, हाडे आणि शंख इत्यादी वस्तूंमध्ये कार्बन हा घटक असतोच. अशा वस्तूंचे कालमापन करण्याकरिता कार्बन-१४ कालमापन पद्धतीने करता येते.
कार्बनची समस्थानिके : निसर्गात कार्बन या मूलद्रव्याच्या समस्थानिकाचे कार्बन-१२ (12C6), कार्बन-१३ (13C6) आणि कार्बन-१४ (14C6) असे तीन प्रकार आढळतात. कार्बन-१२ आणि कार्बन-१३ हे समस्थानिक स्थिर असतात व ते विपुल प्रमाणात असतात. कार्बन-१४ म्हणजेच किरणोत्सर्गी कार्बन हा अस्थिर आणि अत्यल्प प्रमाणात आढळणारा समस्थानिक आहे. याच्या केंद्रकात सहा प्रोटॅान व आणि आठ न्यूट्रॉन असतात. केंद्रक अस्थिर असल्याने कार्बन-१४ मधून नैसर्गिक रीत्या बीटा प्रारणे (particles) सातत्याने बाहेर पडतात. बीटा प्रारणांच्या निर्गमनामुळे कार्बन-१४ चा र्‍हास होतो. परिणामी जसजसा काळ जाईल, तसतशी त्याच्या वस्तुमानात घट होत राहते.
कार्बन-१४ चक्र : कार्बन-१४ ची निर्मिती वातावरणात विश्वप्रारणांमुळे (cosmic radiation) होते. वातावरणातील उच्च स्तरावर अवकाशातील विश्वकिरण (cosmic rays) आघात करतात. त्यामुळे वातावरणातील अणूंमधून जलद गती असणारे न्यूट्रॉन (1n0) बाहेर पडतात. हे न्यूट्रॉन वातावरणातील नत्र अणूंवर आघात करतात, त्यामुळे कार्बन-१४ व हायड्रोजनची (proton) निर्मिती होत राहाते :
14N7 + 1n0 = 14C6 + 1H1
कार्बन-१४ चा वातावरणातील वायूशी संयोग होऊन कार्बन-१४ असलेला कार्बन डाय-ऑक्साइड वायू निर्माण होतो आणि वातावरणात समप्रमाणात पसरतो. समुद्रातील पाण्यातही तो विरघळतो. वातावरणातील कार्बन-१२ व कार्बन-१३ चे प्रमाण ठरावीक असते. ते बदलत नाही. पृथ्वीतलावरील वनस्पती प्रकाशसंश्लेषण क्रियेने अन्न तयार करण्यासाठी वातावरणातील कार्बन डाय-ऑक्साइड वायू शोषून घेतात. हे होताना कार्बन-१२ बरोबरच कार्बन-१४ चा अंतर्भाव वनस्पतींच्या पेशींमध्ये होतो. प्राणी वनस्पतिंवरच जगत असल्यामुळे कार्बन-१४ चा प्राणी-शरीरात सहज शिरकाव होतो. प्राणी किंवा वनस्पती जिवंत असेपर्यंत त्यांच्यातील कार्बन-१४ आणि कार्बन-१२ यांचे प्रमाण वातावरणातील कार्बन-१४ व कार्बन-१२ यांच्या प्रमाणाइतके असते. तथापि प्राणी किंवा वनस्पती मृत झाल्यानंतर त्यांच्यातील हे प्रमाण बदलू लागते; कारण मृत्युसमयी साठलेल्या कार्बन-१४ चे किरणोत्सर्गी विघटन चालू होते :
14C6 = 14N7 + β (बीटा प्रारण)
जिवंत असताना सर्व सजीवांमध्ये कार्बन-१४ चे प्रमाण सारखेच व बाहेरील वातावरणातील प्रमाणाइतकेच असते. सजीव अचेतन झाल्यानंतर त्यांच्यातील कार्बन-१४ च्या अणूंची संख्या ५,७३० (+/- ४०) वर्षांत निम्म्याने किंवा ५०% ने कमी होते. आणखी ५,७३० वर्षांनी म्हणजे सजीव अचेतन झाल्यानंतर ११,४६० वर्षांनी अणूंची संख्या आणखी ५०% ने कमी होते आणि ती आता मूळ संख्येच्या पावपट उरते. त्यापुढच्या ५,७३० वर्षांत म्हणजे मृत्यूनंतर १७,१९० वर्षांनी मूळ संख्येच्या १/८ कर्ब-१४ अणू शिल्लक राहतात. परंतु याच काळात कार्बन-१२ च्या अणूंची संख्या स्थिर असल्याने कार्बन-१४ / कार्बन-१२ गुणोत्तर बदलत जाते. या गुणोत्तराचा वापर करून सचेतन सेंद्रिय पदार्थ किती काळापूर्वी अचेतन झाला, हे समजू शकते.
जळालेले धान्य, कोळसा, हाडे व शिंपले अशा वस्तूंचे कालमापन करायचे असेल, तर त्या उत्खनन करताना अत्यंत काळजीपूर्वक गोळा कराव्या लागतात. या वस्तू खालील प्रमाणात लागतात. कोळसा-१५ ग्रॅम, लाकूड- २० ग्रॅम, हाड- ३५० ग्रॅम, शिंपले- २५० ग्रॅम, शिंग- २०० ग्रॅम. सेंद्रिय कर्बाचे प्रमाण कोळसा किंवा लाकडात अधिक असते. हे प्रमाण हाडे, शिंपले, शिंगे यांत कमी असते म्हणून कालमापनासाठी त्यांचे वस्तुमान जास्त असावे लागते.
कालमापननाचे प्रमाणीकरण : भारतात भौतिकीय अनुसंधान प्रयोगशाळा, अहमदाबाद आणि बिरबल साहनी इन्स्टिट्यूट ऑफ पॅलिओसायन्सेस, लखनौ या संस्थांमध्ये कार्बन-१४ पद्धतीने कालमापन केले जाते. या पद्धतीनुसार सत्तर हजार वर्षांइतक्या अवधीचे कालमापन करता येते. लिबी यांनी ही पद्धती उपयोगात आणण्याच्या वेळी असे गृहीत धरले होते, की विश्वप्रारणांमुळे निर्माण होत असलेल्या कार्बन-१४ चे प्रमाण हे जगात सर्वत्र आणि सदासर्वकाळ सारखे आहे; परंतु वातावरणातील कार्बन-१४ च्या प्रमाणात बदल झाला असावा, असे लक्षात आले. या घटकामुळे इ. स. पू. १,००० पर्यंतच्या कालमापनात लक्षणीय फरक पडत नाही. परंतु जसजसे मागे जावे, तसतसा गणिताने काढलेला कालखंड आणि प्रत्यक्षातील कालखंड यांतील तफावत वाढत जाऊन तारखा अधिकाधिक प्राचीन ठरतात. उदा., कार्बन-१४ ची इ. स. पू. ४,०६० ही तारीख प्रत्यक्षात इ. स. पू. ४,८१० वर्षे ठरते. त्यामुळे कालमापनाचा एक नवा तक्ता तयार केला गेला आहे. यालाच प्रमाणीकरण असे म्हणतात.
कार्बन-१४ ने ठरविलेला काळ प्रत्यक्ष काळाशी जुळण्यासाठी एखादी वक्ररेषा तयार करून ही चूक सुधारण्याची गरज लक्षात आली. वेस्ले फर्गसन यांनी १९६७ मध्ये पाईन वृक्षांवर आधारित कालमापन प्रमाणित करणारी वक्ररेषा तयार केली. त्यानंतर वेळोवेळी अशा वक्ररेषा प्रसिद्ध झाल्या. त्यासाठी प्रामुख्याने वृक्षवलयमापनाने केलेल्या नोंदींचा उपयोग करून घेण्यात आला. जर्मनी, आयर्लंडमधील पाईन वृक्ष आणि अमेरिकेतील डग्लस फर वृक्षांमधील नमुन्यांचे काटेकोर पारंपरिक कार्बन-१४ पद्धतीने अचूक कालमापन केले आणि त्यांच्या वृक्षवलय पद्धतीने आलेल्या वयाची प्रतितपासणी केली. हा उपक्रम आंतरराष्ट्रीय सहभागाने १९९८ मध्ये पूर्ण झाला. त्यानुसार इ. स. पू. १०२७३ इतक्या प्राचीन काळापर्यंत सातत्याने नेणारी एक वक्ररेषा तयार झाली. जर्मनीतील शास्त्रज्ञांनी जर्मन पाईन वृक्षाच्या कालमापनाशी ती जोडली आणि वृक्षवलयमापनावर आधारित कर्ब-१४ पद्धतीचे प्रमाणीकरण इ. स. पू. १२१७९ पर्यंत आणले. यानंतर बायेसियन संख्याशास्त्रीय तंत्र वापरून प्रमाणीकरणासाठी आयएनटीसीएएल ९८, २००४, २००९, २०१३ अशा अनेक वक्ररेषा तयार करण्यात आल्या आहेत. आता इ. स. पू. ५०,००० वर्षांपर्यंत मागे जाण्यासाठी वक्ररेषा उपलब्ध आहे.
संदर्भ :
- Hedges, R. E. M. (Eds. Brothwell, D. R. & Pollard, A. M), ‘Dating in Archaeologyʼ, Handbook of Archaeological Sciences, pp. 3-8, England, 2001.
- Reimer, P. J. ‘Refining the Radiocarbon Time Scaleʼ, Science, Vol. 338 (6105), pp. 337-338, 2012.
- Walker, M. J. C. Quaternary Dating Methods, England, 2005.
- क्षीरसागर, अनुपमा, प्राचीन संस्कृतींचे कालमापन, पुणे, १९९८.
समीक्षक : प्रमोद जोगळेकर
