किरणोत्सर्गी कार्बन कालनिर्णय पद्धति

किरणोत्सर्गी कार्बन कालनिर्णय पद्धति : पदार्थातील कार्बन( १४) चा (१४ अणुभार असलेल्या कार्बनाच्या समस्थनिकाचा म्हणजे ६ हा कार्बनाचाच अणुक्रंमाक असलेल्या पण भिन्न अणुभार असलेल्या कार्बनाच्या प्रकाराचा) किरणोत्सर्ग (कण वा किरण बाहेर पडणे) मोजून त्याचे अंदाजे वय ठरविण्याची पद्धती. हिलाच कार्बन(१४) कालनिर्णय पद्धतीही म्हणतात. भूविज्ञान, पुरातत्त्वविद्या, मानवशास्त्र व इतिहास यांच्या दृष्टीने एखाद्या घटनेचा किंवा अवशेषांचा निरपेक्ष काल माहीत असणे महत्त्वाचे असल्याने या विषयांना ही पद्धती विशेष उपयुक्त आहे. नैसर्गिक कार्बन (१४) च्या किरणोत्सर्गी क्षयावर ही पद्धती आधारलेली असून ती विलर्ड एफ्‌. लिबी यांनी शोधून काढली व त्यांनी आपल्या सहकाऱ्यांच्या साहाय्याने १९५४ पर्यंत ती विकसित केली. त्यासाठी लिबी यांना १९६० चे रसायनशास्त्रातील नोबेल पारितोषिक देण्यात आले. या पद्धतीने काढलेली विविध पदार्थांची वये रेडिओ कार्बन नावाच्या पत्रिकेत प्रसिद्ध करण्यात येतात.

कार्बन(१४) ची निर्मिती व क्षय : कार्बन (१४) हा कार्बनाचा समस्थानिक अत्यल्प प्रमाणात आढळतो. तो उच्च (८ ते १६ किमी. या टप्प्यातील) वातावरणामध्ये निर्माण होत असतो. वातावरणात विश्वकिरण (बाह्य अवकाशातून पृथ्वीवर पडणारे अतिशय भेदक किरण)शिरताना त्यांच्यामुळे ऑक्सिजन, नायट्रोजन इत्यादींच्या अणुकेंद्राचे विघटन (फुटण्याची क्रिया) होते. त्यामुळे निर्माण होणाऱ्या न्युट्रॉन, प्रोटॉन मेसॉन वगैरे मूलकणांपैकी उच्च वेगाचे काही न्यूट्रॉन इतर नायट्रोजन अणूंवर आदळतात. त्यामुळे नायट्रॉजनाच्या अणुकेंद्राचे विघटन होऊन एक प्रोटॉन बाहेर पडतो व कार्बन (१४) तयार होतो.

कार्बन (१४) चे तात्काळ ऑक्सिडीभवन (ऑक्सिजनांशी संयोग) होऊन कार्बन (१४) डाय -ऑक्साइड (C¹⁴O₂) तयार होतो. तो वातावरणात पसरला जाऊन वातावरणातून पाण्यात व वनस्पतींत आणि त्यांच्यातून प्राण्यांमध्ये येतो. अशा तऱ्हेने कार्बन (१४) नैसर्गिक कार्बन-चक्रात येतो. यामुळे ज्यांचा कार्बन हा घटक आहे अशा वनस्पतींचे लाकूड व इतर अवशेष, लोणारी कोळसा, प्राण्यांची कवचे व इतर कार्बोनेटे आणि कार्बन डाय – ऑक्साइडयुक्त भूमिजल व सागरी जल यांना ही पद्धती लावता येते.

कार्बन (१४) किरणोत्सर्गी असल्याने अस्थिर असतो. त्यातून एक बीटा कण ‘इलेक्ट्रॉन’ बाहेर पडून नायट्रोजन तयार होतो. अशा प्रकारे होणाऱ्या किरणोत्सर्गी क्षयाचा वेग ठराविक असतो. कार्बन(१४) चा अर्धायुकाल ५,५७० ± ४० वर्षे आहे म्हणजे एवढया काळात मूळच्या अणूंपैकी निम्म्या अणूंचा क्षय होतो. किरणोत्सर्गी क्षयावर कोणत्याही भौतिकीय प्रक्रियेचा परिणाम होत नसल्याने त्याचा अर्धायुकाल अबाधित असतो.

पृथ्वीचे वय सु. ४⋅५ अब्ज वर्षे असल्याने अगदी प्रथम निर्माण झालेला कार्बन (१४) आतापर्यंत केव्हाच नाहीसा झाला असला पाहिजे. पंरतु कार्बन(१४)ची निर्मिती वरीलप्रमाणे सतत चालू असल्याने तो आजही निरनिराळ्या पदार्थामध्ये आढळतो. जर या निर्मितीचा वेग हजारो वर्षे स्थिर राहिलेला असेल, तर भूपृष्ठावरील कार्बन (१४) चे प्रमाण स्थिर झाले असावे. कोणत्याही वेळी अस्तित्वात असल्याने कार्बन (१४) अणूंच्या संख्येवर त्याच्या क्षयाचा वेग अवलंबून असल्याने निर्मितीचा वेग न बदलल्यास वातावरण, जीवावरण (पृथ्वीचे कवच, पाणी व वातावरण यांतील ज्या भागात जीवसृष्टी जगू शकते असा भाग) आणि जलावरण यांच्यातील कार्बन (१४) अणूंची एकूण संख्या स्थिर राहील. वातावरण, जलावरण, जीवावरण व शिलावरणाचा वरचा भाग यांच्यातील कार्बनमध्ये कार्बन (१४) मिसळण्यास लागणारा काल अर्धायुकालाहून खूपच कमी असल्याने या सर्वांतील एकूण कार्बनमधील कार्बन (१४) चे प्रमाण (संहती) सापेक्षतः एकसारखे होईल. जीवांमध्ये जिवंतपणी कार्बन (१४) चे शोषण व क्षय या दोन्ही प्रक्रिया चालू असतात. प्राणी वा वनस्पती मेल्यावर किंवा या क्रियाशील साठ्यापासून पदार्थ अलग झाल्यावर कार्बन (१४) (१४) चे शोषण थांबते पंरतु त्याचा क्ष चालूच राहतो व त्यांच्यातील कार्बन (१४)ची संहती कमी होऊ लागून प्रत्येक ५,५७० वर्षांनी ती निम्मी होत जाते. यावरुन एखाद्या अज्ञात वयाच्या मृत झाडाच्या कार्बनातील कार्बन (१४) ची संहती ही सध्याच्या जिवंत झाडाच्या संहतीपेक्षा निम्मी असेल, तर ते झाड मृत्यू पावल्याचा काळ ५,५७० वर्षे येईल.

मापन पद्धती : सद्यकालीन पदार्थांमध्ये कार्बन(१४) अत्यल्प प्रमाणात असतो. उदा., जिवंत लाकडातील प्रत्येक १०^१२ कार्बन अणूंपैकी एकच अणू कार्बन (१४) चा असतो, पंरतु कार्बन (१४)चा किरणोत्सर्ग मोजता येतो. कारण त्यापासून उत्सर्जित होणारे बीटाकण मापकांव्दारे ओळखता व मोजता येतात. तसेच कार्बन नमुन्यातून ठराविक कालावधीत उत्सर्जित होणाऱ्या बीटा कणांची संख्या ही त्यात असणाऱ्या कार्बन(१४) अणूंच्या संख्येच्या प्रमाणात असते. त्यामुळे अज्ञात वयाच्या नमुन्यातील व सद्यकालीन नमुन्यातील कार्बनाच्या किरणोत्सर्गाची तुलना करून कालनिर्णय करता येतो. यासाठी पुढील सुत्र वापरतात.

वय =  ८२६८ लॉग_θ (अ_० / अ) वर्षे

येथे अ_० = सद्यकालीन नमुन्यापासून बनविलेल्या व अ=अज्ञात नमुन्यापासून बनविलेल्या कार्बनाचा किरणोत्सर्ग होय आणि e हा स्वाभाविक लॉगरिथमाचा आधारांक आहे [→ इ ].

अंदाजे ३० ग्रॅ. नमुना घेऊन तो भौतिक व रासायनिक प्रक्रियांनी स्वच्छ करून घेतात. नंतर तो जाळून कार्बन डाय-ऑक्साइड वायू तयार करतात  व त्याचे धातूरुप मॅग्नेशियमाने ðक्षपण करुन काजळी मिळवितात. या काजळीचा किरणोत्सर्ग गायगर मापकाने (गणित्राने) मोजतात. [→ कण अभिज्ञातक ]. एका नमुन्याचे वय काढण्यास चार-पाच दिवस लागतात. कार्बनाचे कार्बन डायऑक्साइड, ऍसिटिलीन, मिथेन अथवा द्रवरूप बेंझीन यांमध्ये रूपांतर करून त्याचा किरणोत्सर्ग मोजून येणारे वय अधिक अचूक असते. कार्बन डाय-ऑक्साइड पद्धती एच्‌.द.व्हेरीज, जे. हॅक्सल व एम्‌. विल्यम्झ यांनी ॲसिटिलीन पद्धती एच्‌. झूस व क्रॅथम यांनी आणि लुकलुकीमापकाची (द्रवरूप बेझीन) पद्धती जे.आर‌्.आर्नल्ड यांनी प्रचारात आणली.

या पद्धतीत अतिशय संवेदनाशील गायगर मापक लागतात. त्यासाठी मापक किरणोत्सर्गरहित द्रव्याचा बनवितात. बाह्य प्रारणे टाळण्यासाठी त्यामध्ये लोखंडी किंवा पारा व शिसे अथवा पॅराफीन आणि बोरीक अम्ल यांच्या परिरक्षकांची योजना केलेली असते. पद्धतीत झालेल्या अशा सुधारणांमुळे ७०,००० वर्षांपूर्वीपर्यंतच्या नमुन्यांची वये काढता येतात. याहून जुन्या नमुन्यांतील कार्बन (१४) चा किरणोत्सर्ग इतका क्षीण झालेला असतो की, तो या पद्धतीने मोजता येत नाही.

पद्धतीच्या मर्यादा : या पद्धतीची गृहिते व मापनाची अचूकता या दोन बाबतींत तिच्यावर काही मर्यादा पडतात. त्यामुळे कालनिर्णयातील अचूकता घटते. म्हणजे काढलेली वये खऱ्या वयांशी कितपत जुळतात हे निश्चित कळत नाही.

मुख्यत्वे मापनातील सांख्यिकीय त्रुटींमुळे अचूकतेत अनिश्चितता येते. पहिल्या व त्यानंतरच्या पाच मिनिटांतील किरणोत्सर्गी रूपांतरांची संख्या एकच असेल असे नाही.  जास्त मापने घेऊन (१-४) दिवस हा दोष कमी करता येतो. मात्र दीर्घकाळ मापने घेण्यासही मर्यादा असतात.  शिवाय तंत्रात सुधारणा करूनही ही अनिश्चितता टाळणे अवघड आहे.  ही अनिश्चतता (वय ± २००) वर्षे वर्तमानपूर्व (वर्तमान = सन १९५०) अशा तर्‍हेने दर्शवितात. मापन तंत्राशी संबंध नसलेले दोषही असतात व निष्कर्षांचा अथ्र लावताना काही अडचणी येतात.  उदा., पुरातत्त्वविद्येशी संबंधित वस्तूंचा लाकूड किंवा लोणारी कोळसा वापरून कालनिर्णय करताना काही अडचणी येतात. वृक्ष आतून बाहेर वाढत जातात.  त्यामुळे काही वेळा आतील भाग बाहेरच्या भागाहून शंभर वर्षांनीही जुना असू शकतो. शिवाय वस्तू बनविण्यासाठी वापरण्यापूर्वी लाकूड बराच काळ पडून राहिले किंवा पुन्हा वापरले गेले असण्याची शक्यता असते. या सर्वांमुळे कालनिर्णयाची अचूकता कमी होते.

पद्धतीच्या मूलभूत गृहितात बदल होत असल्याने तिच्या निरपेक्ष अचूकतेवर काही मर्यादा पडतात.  अज्ञात नमुन्यातील कार्बनमधील कार्बन (१४) ची मूळ संहती अचूकपणे सांगता येते हे पहिले गृहीत आहे.  सध्याच्या क्रियाशील साठ्यात तयार होत असणाऱ्या कोणत्याही द्रव्यातील कार्बनामधील कार्बन (१४) ची संहती अचूकपणे सांगता येते असे या गृहिताने सुचविले जाते. सद्यकालीन नमुन्यामधील कार्बन (१४) / कार्बन (१२) हे गुणोत्तर पुष्कळसे सारखे आढळत असले, तरी त्यामध्ये विचारार्ह फरकही पडतात.  शिवाय पृथ्वीच्या वातावरणातील कार्बन (१४) चे प्रमाण स्थिरावले असल्याचेही दिसून येत नाही. पृथ्वीची चुंबकीय तीव्रता वाढली तर अधिक प्रमाणात विश्वकिरण तिच्यापासून विचलित होतात व परिणामी कार्बन (१४) ची निर्मिती घटते. यासाठी ऐतिहासिक कालनिर्णय झालेल्या गेल्या दहा हजार वर्षांतील नमुन्यांतील किंवा काळजीपूर्वक वय काढलेल्या झाडांच्या वलयांतील कार्बन (१४) च्या संहतीची तपासणी करण्यात आली आहे.  तीवरून या कालात ही संहती निश्चितपणे बदललेली असल्याचे आढळते परातत्त्वविद्या व मानवशास्त्र यांच्या दृष्टीने याहून अचूक पद्धती आवश्यक असल्याने या पद्धतीचे अधिक अन्वेषण (संशोधन) व्हावे लागेल.

एकोणिसाव्या शतकाच्या मध्यानंतर दगडी कोळसा व खनिज तेल यांचा वापर वाढला.  त्यांच्या जळण्याने वातावरणातील कार्बन डाय-ऑक्साइडाचे प्रमाण वाढते. मात्र ही इंधने लक्षावधी वर्षांपूर्वी बनलेली असल्याने त्यांच्यातील कार्बन (१४) चा पूर्ण क्षय झालेला असतो. त्यामुळे कार्बन डाय-ऑक्साइडाशी असलेले नायट्रोजनाचे गुणोत्तर आणि कार्बन (१४) ची संहती ही थिर राहिली नाहीत. १९५० च्या सुमारास वाढलेल्या वृक्षाच्या मानाने १८९० च्या सुमारास वाढलेल्या वृक्षात कार्बन (१४) सु. दोन टक्के अधिक आढळतो. उलट अण्वस्त्र चाचण्यात निर्माण झालेल्या कार्बन (१४) मुळे १९५४—६५ या काळात त्याचे प्रमाण १००% वाढले. अशा प्रकारे प्रदूषणाने कार्बन (१४)च्या संहतीत बदल होत असल्याने प्रदूषित न झालेले नमुने काळजीपूर्वक निवडावे लागतात.

नमुना क्रियाशील साठ्यापासून अलग होऊन निक्षेपित झाल्यावर त्याच्यातील कार्बन (१४) / कार्बन (१२) हे गुणोत्तर किरणोत्सर्गी क्षयाशिवाय इतर कशानेही बदलत नाही, असे दुसरे गृहीत आहे. परंतु हे गुणोत्तर बदलण्याच्या पुढील तीन शक्यता आहेतः भौतिकीय व रासायनिक विघटन होताना एक समस्थानिक काढून घेतला जाणे नमुन्यातील व सभोवतालच्या कार्बनाचा विनिमय होणे आणि नमुन्यामध्ये बाहेरचा कार्बन अंतर्वेशनाने (घुसून) येणे. या कारणांमुळे मापनात चूक होणे शक्य असते. शिवाय अलीकडील कार्बनाने प्रदूषित झालेल्या अतिशय जुन्या नमुन्याचा कालनिर्णय करणेही कठीण असते. उदा., ४०,००० वर्षांपूर्वीच्या नमुन्यात एक टक्का एवढा अलीकडचा कार्बन मिसळलेला असेल, तर त्या नमुन्याचे वय ३३,००० वर्षे येईल. मात्र ४०,००० वर्षांपर्यंतच्या नमुन्यात अशा प्रदूषणाने फारसा फरक पडत नसल्याने त्याच्या कालनिर्णयात फारशी चूक होत नाही.

उपयोग : या पद्धतीने भूविज्ञानाच्या व पुरातत्त्वविद्येच्या शेकडो नमुन्यांची वये काढता आली. विशेषतः उत्तर चतुर्थ कल्पातील (गेल्या सु. ११,००० वर्षांच्या काळातील) स्तरविज्ञानाच्या (खडकांतील स्तरांची रचना व त्यांतील जीवाश्म यांचा अभ्यास करणाऱ्या विज्ञानाच्या) व हवामानाच्या अध्ययनासाठी आणि इतिहासपूर्व घटनांसाठी ही पद्धती उपयुक्त आहे.

पुढे सरकणाऱ्या हिमनद्यांनी पडलेल्या झाडांच्या कालनिर्णयाने हिमाचे शेवटचे मोठे आक्रमण केव्हा झाले (१,१०० वर्षे) आणि सरोवरांच्या किनाऱ्यावरील किंवा दलदलीतील पिटाच्या वयाच्या अभ्यासामुळे हिमनद्या मागे केव्हा गेल्या, ते कळून आले. यावरून चतुर्थ कल्पामध्ये हवामानात झालेल्या बदलांचा कालानुक्रम ठरविता आला. महासागरी प्रवाह आणि भूमिजलाच्या हालचाली यांच्या अध्ययनास ही पद्धती उपयोगी आहे. लाव्हयाने किंवा राखेने झाकलेल्या नमुन्यांच्या कार्बन (१४) वयावरून ज्वालामुखी उद्‌गिरणांचा (उद्रेकांचा) काळ निश्चित करता येतो. मृदेतील हायड्रोकार्बनांच्या कालनिर्णयाने खनिज तेलाच्या उत्पत्तीबद्‌दल माहिती मिळते. मॅस्टॅडॉनासारख्या निर्वंश प्राण्यांच्या अवशेषांच्या कार्बन (१४) वयांमुळे त्यांचा निर्वंश होण्याचा काल समजण्यास मदत होते.

पुरातत्त्वविद्येच्या नमुन्यांची निरपेक्ष वये ठरविणे या पद्धतीमुळे शक्य झाले असून काही कार्बन (१४) वये परंपरागत पद्धतींनी काढलेल्या वयांशी जुळतात. आदिमानवाचा काळ १६-१३ हजार वर्षं ९,००० वर्षांपूर्वी मानवाला बुरूडकाम माहीत होते उ. अमेरिकेतील सर्वांत जुना मका २,००० वर्षांपूर्वीचा, तर द. अमेरिकेतील १,००० वर्षांपूर्वीचा आहे इ. गोष्टी या पद्धतीने समजल्या आहेत. पूर्वीच्या मानवाने वापरलेल्या लोणारी कोळशाच्या कालनिर्णयामुळे मानवी इतिहासाचा कालनिर्णय करण्यास मदत झाली.

एकूण भूवैज्ञानिक घटनांचा व हवामानातील बदलांचा कालानुक्रम तसेच प्राण्यांच्या व सांस्कृतिक क्रमविकासाचा वेग आणि अनुक्रम ठरविण्यासाठी ही पद्धती साहाय्यभूत झाली आहे.

पहा : खडकांचे वय पुरातत्त्वविद्या.

संदर्भ : 1. Libby W.F. Radiocarbon Dating, Chicago, 1955.

2. Olsson, I.U., Ed. Radiocarbon Variations in Atmosphere, 1970.

सोवनी, प्र. वि. ठाकूर, अ. ना.

“