CARBONE 14.

26 Juillet 2009 , Rédigé par CHOMOLANGMA

Carbone 14

Le carbone 14 est un isotope radioactif du carbone, noté ¹⁴C.

Il est formé lors de l'absorption de neutrons par les atomes d'azotes de la stratosphère et des couches hautes de la troposphère. Les neutrons proviennent de la collision des rayons cosmiques avec les atomes de l'atmosphère, notamment l'oxygène.

Son unique mode de désintégration se fait par émission d'une particule bêta de 156 keV en se transmutant en azote ¹⁴N ; avec une période radioactive de 5 730 ans (± 40 ans). Le carbone 14 a longtemps été le seul radio-isotope du carbone à avoir des applications. Pour cette raison, il était appelé radiocarbone.

Applications

Datation par le carbone 14

La datation par le carbone 14, dite également datation par le radiocarbone ou datation par comptage du carbone 14 résiduel, est une méthode de datation radiométrique basée sur la mesure de l'activité radiologique du carbone 14 (¹⁴C) contenu dans de la matière organique dont on souhaite connaître l'âge absolu, à savoir le temps écoulé depuis sa mort.

Le domaine d'utilisation de cette méthode correspond à des âges absolus de quelques centaines d'années jusqu'à environ 50 000 ans. L'application de cette méthode à des évènements anciens, tout particulièrement lorsque leur âge dépasse 6000 ans (préhistoriques), a permis de les dater beaucoup plus précisément qu'auparavant. Elle a ainsi apporté un progrès significatif en archéologie et en paléoanthropologie.

Historique

En 1960, Willard Frank Libby a reçu le prix Nobel de chimie pour le développement de cette méthode (cf. article sur le chercheur pour l'histoire de cette découverte).

Principe de la datation

Le carbone 14 ou radiocarbone est un isotope radioactif du carbone dont la période radioactive (ou demi-vie) est égale à 5734 ± 40 ans selon des calculs relevant de la physique des particules datant de 1961. Cependant, pour les datations on continue par convention d'employer la valeur évaluée en 1951, de 5568 ± 30 ans.

Un organisme vivant assimile le carbone sans distinction isotopique. Durant sa vie, la proportion de carbone 14 (¹⁴C) présent dans l'organisme par rapport au carbone total (¹²C, ¹³C et ¹⁴C) est la même que celle existant dans l'atmosphère du moment.

La datation par le carbone 14 se fonde ainsi sur la présence dans tout organisme de radiocarbone en infime proportion (de l'ordre de 10^-12 pour le rapport ¹⁴C/C total). À partir de l'instant où un organisme meurt, la quantité de radiocarbone qu'il contient ainsi que son activité radiologique décroissent au cours du temps selon une loi exponentielle. Un échantillon de matière organique issu de cet organisme peut donc être daté en mesurant soit le rapport ¹⁴C/C total avec un spectromètre de masse, soit son activité X années après la mort de l'organisme.

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Origine du radiocarbone naturel

Le radiocarbone naturel circule dans trois réservoirs : l'atmosphère, les océans et la biosphère.

Avec une période radioactive de 5730 ans, le radiocarbone aurait depuis longtemps disparu de la biosphère s’il n’était produit en permanence.

Dans la haute atmosphère, des réactions nucléaires initiées par le rayonnement cosmique produisent un flux de neutrons libres. Après avoir été ralentis par collision avec les molécules de l'air, les neutrons dans une certaine gamme d'énergie (cinétique) réagissent avec l'azote pour former du radiocarbone, selon l'équation bilan :

$^{1}_{0}\mathrm{n} + ^{14}_{7}\!\mathrm{N} \rightarrow ^{14}_{6}\!\mathrm{C} + ^{1}_{1}\!\mathrm{p}$

Cette réaction est privilégiée du fait que l’azote constitue 78,11 % de l’atmosphère de la Terre. C'est entre 15 000 mètres et 18 000 mètres, à des latitudes géomagnétiques élevées, que la production de radiocarbone a principalement lieu.

L'atome de radiocarbone ainsi produit réagit rapidement avec l'oxygène pour former du dioxyde de carbone.
Ce gaz circule dans toute l'atmosphère et se dissout dans les océans pour former des carbonates. Du radiocarbone circule donc aussi dans les océans.

Le dioxyde de carbone réagit également avec la biosphère. Les plantes assimilent ainsi du radiocarbone dans l'atmosphère par photosynthèse et elles sont mangées par les animaux. Les organismes marins assimilent également le radiocarbone présent dans les océans. Le radiocarbone se répand donc dans la biosphère tout au long de la chaîne alimentaire.

Le rapport ¹⁴C/C total est considéré comme uniforme dans l'atmosphère, la surface des océans et la biosphère en raison des échanges permanents entre les organismes vivants et leur milieu.

De plus, on suppose que le flux de rayons cosmiques est constant sur une longue période de temps (première approximation). Par conséquent, le taux de production du radiocarbone est constant, donc le rapport ¹⁴C/C total dans l’atmosphère, la surface des océans et la biosphère est constant (le nombre d’atomes produits égale le nombre d’atomes qui se désintègrent).

À la mort d'un organisme, tout échange avec le milieu extérieur cesse mais le radiocarbone initialement présent reste "piégé" et sa quantité se met à décroître exponentiellement selon le processus de la décroissance radioactive : ceci permet de savoir depuis combien de temps l'organisme est mort.

Laboratoire de mesure du Carbone 14

Artemis, le nouvel appareil de spectrométrie de masse par accélérateur (SMA), doit permettre d'analyser plus de 4 500 échantillons par an pour en mesurer la concentration du carbone 14.
© CEA. CNRS. IRD. IRSN. Ministère de la Culture et de la Communication

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Mesure de l’âge d’un échantillon de matière organique

La désintégration radioactive du carbone 14 obéit à une loi de décroissance exponentielle caractérisée par sa demi-vie. Dater un échantillon de matière organique consiste à mesurer le rapport ¹⁴C/C total (ce qu'il reste de radiocarbone naturel suite à la désintégration) et à en déduire son âge. Le rapport ¹⁴C/C total est mesuré soit indirectement par la mesure de l'activité spécifique (nombre de désintégrations par unité de temps et par unité de masse de carbone) due au radiocarbone naturel qui est proportionnelle au rapport ¹⁴C/C total, soit directement par spectrométrie de masse.

Quand elle fut mise au point par Libby à la fin des années 1940, la datation par le carbone 14 passait par la mesure de la radioactivité des échantillons ce qui était délicat du fait de la faiblesse du signal (il y a peu d’atomes de radiocarbone dans l’échantillon analysé, surtout après quelques milliers d’années, et encore moins qui se désintègrent) et du bruit de fond (radioactivité naturelle, rayons cosmiques...).

Aujourd’hui, la mesure directe du rapport ¹⁴C/C total par spectrométrie de masse est privilégiée car elle permet de dater des échantillons beaucoup plus petits (moins d’un milligramme contre plusieurs grammes de carbone auparavant) et beaucoup plus vite (en moins d’une heure contre plusieurs jours ou semaines). Le carbone extrait de l'échantillon est d'abord transformé en graphite, puis en ions qui sont accélérés par la tension générée par un spectromètre de masse couplé à un accélérateur de particules. Les différents isotopes du carbone sont séparés grâce à un aimant ce qui permet de compter les ions de carbone 14.

Les échantillons vieux de plus de 50 000 ans ne peuvent être datés au carbone 14, car le rapport ¹⁴C/C total est trop faible pour être mesuré par les techniques actuelles ; les résultats ne sont relativement précis que pour les âges inférieurs à 35 000 ans.

La méthode la plus courante de datation consiste à déterminer la concentration $C t$ de radiocarbone (c’est-à-dire le rapport ¹⁴C/C total) d'un échantillon à l'instant $t$ de mesure ; l'âge de l'échantillon est alors donné par la formule :

${t}-{{t}_0}=\frac{1}{\lambda}\times\ln\frac{{C}_0}{{C}_{t}}$

où $C 0$ est la concentration de radiocarbone de l'échantillon à l'instant $t 0$ de la mort de l'organisme d'où provient l'échantillon ( ${C}_0\approx10^{-12}\$ ) et $λ$ la constante radioactive du carbone 14 ( $\lambda=\frac{\ln2}{t_{\frac{1}{2}}}\approx1,210\cdot10^{-4}\ \mathrm{ans}^{-1}$ ).

Période radioactive conventionnelle

L'âge carbone 14 conventionnel d'un échantillon de matière organique est calculé à partir d'une période conventionnelle de 5568 ans, calculée en 1950 à partir d’une série de mesures. Depuis, des mesures plus précises ont été réalisées, et donnent une période de 5730 ans, mais les laboratoires continuent à utiliser la valeur "conventionnelle" pour éviter les confusions.

Les résultats sont donnés en années « before present » (BP). Le point zéro (à partir duquel est mesuré le temps écoulé depuis la mort de l'organisme dont cette matière est issue) est fixé à 1950, en supposant un niveau de radiocarbone égal à celui de 1950 car depuis la pollution a grandement modifié le taux atmosphérique du dioxyde de carbone !

Courbes d'étalonnage

Au début des années 1960, certaines divergences systématiques observées entre l'âge d'échantillons estimé par la datation par le carbone 14 et par l'archéologie ou la dendrochronologie posent problème.

Même si le flux de rayons cosmiques à l'origine de la formation du carbone 14 peut être supposé constant, la recherche spatiale a mis en évidence que la quantité de ce flux reçu dans la haute atmosphère terrestre variait suite aux évolutions du champ magnétique terrestre et du champ magnétique solaire. Ceci explique que le taux de production du radiocarbone naturel ait varié au cours du temps.

Les changements climatiques ainsi que le rejet massif de carbone fossile dans l’atmosphère par l’industrie et les transports ont également modifié la quantité totale de carbone dans les trois réservoirs (atmosphère, océans et biosphère). Enfin, durant les années 1950 et 1960, on a pensé que les essais nucléaires étaient la cause du presque doublement de la quantité de radiocarbone dans l’atmosphère. Toutefois ces phénomènes récents n'ont pas d'impact sur la datation d'objets anciens, dont le rapport ¹⁴C/C ne dépend que de leur âge, et du taux ¹⁴C/C à la date de leur arrêt d'activité biologique.

En conclusion, le rapport ¹⁴C/C total dans la biosphère n'est pas constant dans le temps. Il est donc nécessaire de construire des courbes d'étalonnage en confrontant les datations obtenues grâce au carbone 14 et les datations par d’autres méthodes telles que la dendrochronologie.

Ces courbes permettent, connaissant "l'âge carbone 14 conventionnel" d’un échantillon, de trouver la date correspondante dans notre calendrier.

Autres corrections

Les véhicules équipés de moteurs à combustion interne utilisent des produits pétroliers qui ne contiennent que des isotopes stables du carbone, ¹²C et ¹³C ; la totalité du ¹⁴C ayant disparu au cours de la longue durée d'enfouissement des combustibles fossiles.

Ainsi, la datation par le ¹⁴C d'un arbuste poussant en bordure des autoroutes pourra fréquemment lui attribuer un "âge conventionnel" de douze mille ans ou plus.

Des tables de correction existent donc pour permettre des datations liées à la révolution industrielle, en fonction des lieux d'émissions de gaz carbonés dépourvus en carbone 14, issus de combustibles fossiles.

Limites de la datation par le carbone 14

La datation par le carbone 14 est une méthode très utilisée par les archéologues, mais son utilisation présente quelques limites :

l'élément que l'on veut dater doit avoir incorporé du carbone dans des proportions équivalentes à celles de l'atmosphère ; elle ne s'applique donc qu'aux matériaux organiques et pas du tout aux produits minéraux ;
la méthode s'appuie sur le principe d'actualisme et suppose que le rapport ¹⁴C/C est resté constant depuis la mort de l'élément à dater jusqu'à aujourd'hui ; ce n'est pas tout à fait le cas et des corrections sont donc nécessaires (cf. ci-dessus) ;
la fermeture du système de l'élément à dater est aussi indispensable ; s'il incorpore de nouveaux atomes de carbone après sa mort, le rapport ¹⁴C/C est bouleversé et le résultat ne sera pas fiable ;

la quantité de carbone radioactif diminue de moitié tous les 5 730 ans, qui est la valeur de la période de cet élément ; on ne peut donc dater que des éléments datant de moins de 50 000 ans au maximum (soit environ huit périodes) et les résultats sont relativement approximatifs au-delà de 35 000 ans ; pour des âges plus anciens, on utilisera alors d'autres méthodes comme la datation au potassium-argon ou la datation par le couple rubidium-strontium qui permettent de dater des roches ou la thermoluminescence, qui permet de dater des roches ou des sédiments qui ont été brûlés.

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Traceur isotopique

Découverte

Le carbone 14 a été découvert le 27 février 1940 par Martin Kamen du Radiation Laboratory et Samuel Ruben du département de Chimie de l'Université de Californie, Berkeley.

Dès 1934, à Yale, Franz Kurie suggère l'existence du carbone 14. Il observe en effet que l'exposition d'azote à des neutrons rapides produit parfois dans une chambre à brouillard de Wilson une longue trace fine au lieu de la courte trace plus épaisse laissée par une particule alpha. Dès 1936, il est établi que les neutrons rapides réagissent avec l'azote pour donner du bore tandis que les neutrons lents réagissent avec l'azote pour former du carbone 14. Ceci correspond à la « découverte au sens physique » du carbone 14 par opposition à sa « découverte au sens chimique », c'est-à-dire sa production en quantité suffisante pour pouvoir mesurer une activité.

Kamen et Ruben collaborent à des recherches interdisciplinaires sur les traceurs biologiques dans le but de déterminer le produit initial de la fixation du dioxyde de carbone lors de la photosynthèse. L'utilisation du carbone 11 comme traceur est très difficile en raison de sa courte période radioactive (21 minutes). Ruben essaye cependant de développer une technique d'étude de la photosynthèse : il fait pousser une plante en présence de dioxyde de carbone contenant du carbone 11, la tue, puis sépare et analyse ses composants chimiques, avant que la radioactivité ne devienne indétectable, pour trouver quels composants contiennent le traceur. L'échec de cette technique stimule la recherche d'un autre isotope radioactif à plus longue période radioactive, le carbone 14.

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Le Saint Suaire

Une des principales sources de financement du Radiation Laboratory est la fabrication dans ses cyclotrons de radioisotopes pour la recherche biomédicale. À la fin de l'année 1939, Ernest Orlando Lawrence, directeur du Radiation Laboratory, est inquiet de la concurrence d'isotopes stables rares comme le carbone 13, l'azote 15 ou l'oxygène 18 qui peuvent se substituer aux radioisotopes comme traceurs biologiques. Il offre à Kamen et Ruben un accès illimité aux cyclotrons de 37 et 60 pouces pour rechercher des radioisotopes de périodes radioactives plus élevées pour les principaux éléments présents dans les composés organiques : hydrogène, carbone, azote ou oxygène.

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Cette campagne de recherche systématique commence par le carbone. Kamen et Ruben bombardent du graphite avec des deutons (noyaux de deutérium). La faible activité qu'ils mesurent le 27 février 1940, d'environ quatre fois le bruit de fond, confirme l'existence du carbone 14 avec une période radioactive qui se révèle bien supérieure (plusieurs milliers d'années) à ce que prévoyait la théorie. Cette période radioactive élevée, et donc la faible activité du carbone 14, explique pourquoi celui-ci n'a pas été découvert auparavant.

Kamen et Ruben constatent par la suite que la réaction de neutrons lents avec de l'azote pour donner du carbone 14 est nettement plus productive que la réaction deuton-carbone 13.

L'application du carbone 14 comme traceur biologique reste toutefois limitée par son coût de production, le cyclotron étant la seule source de neutrons disponible.

Après la Seconde Guerre mondiale, le développement des réacteurs nucléaires, qui utilisent le graphite comme modérateur, autorise la production massive de carbone 14, dont l'emploi se répand dans tous les domaines de recherche biomédicale.

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Traceur isotopique

Les traceurs isotopiques sont utilisés en chimie, en hydrochimie, en géologie isotopique et en biochimie afin de mieux comprendre certaines réactions chimiques et interactions. Dans cette technique, un (ou plusieurs) atome(s) de la molécule qui intervient dans la réaction étudiée est remplacé par un autre isotope du même élément chimique (cet isotope est souvent radioactif). Comme par définition cet isotope a le même nombre de protons et d’électrons que l’atome auquel il se substitue, il se comporte d’un point de vue chimique presque exactement comme ce dernier, et n’interfère pas, à quelques exceptions près, avec la réaction étudiée. Comme il n’a pas le même nombre de neutrons, il peut cependant être distingué des autres isotopes du même élément.

La résonance magnétique nucléaire (RMN) utilise ce type de technique pour étudier les mécanismes de réactions chimiques en essayant de trouver la position d’un atome à la fin d’une réaction. La RMN permet en effet non seulement de distinguer un isotope mais également de le localiser.

La spectrométrie de masse ou l’autoradiographie peuvent également être utilisées pour distinguer un isotope.

Source Wikipédia.

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