Dossier – Le Carbone 14

Dossiers écrits
By Mathieu
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Dossier présenté dans l’épisode 12.

 

  • Le Carbone 14 (radiocarbone) 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) et s’est converti en un outil indispensable pour l’étude de notre passé.
  • Grâce à la datation par la méthode du Carbone 14, on est capable d’établir la chronologie des âges et de l’évolution de l’être humain depuis la préhistoire jusqu’à nos jours.
  • La datation par le Carbone 14 est basée sur la mesure de l’activité radioactive du Carbone 14 contenue dans de la matière organique dont on souhaite connaître l’âge absolu, à savoir le temps écoulé depuis sa mort.

Mais qu’est ce que le Carbone 14, d’où vient-il?

  • Les atomes sont constitués d’un noyau et d’un nuage d’électrons qui circulent autour de lui.
  • Dans le noyause trouvent les:
    • Protons: donnent les caractéristiques chimiques de l’atome.
    • Neutrons: contribuent à la stabilité du noyau.
  • Atome Carbone(C):
    • L’atome de carbone constitue l’élément essentiel de toute vie chimique, et se trouve présent en abondance dans tous les organismes vivants de la planète.
    • Noyau:
      • numéro atomique (Z): composé de 6 protons et 6 neutrons.
      • masse atomique: 12u (uma – unité de masse atomique, déterminée par les protons et neutrons)
  • Un autre élément que l’on trouve aussi en abondance dans l’atmosphère et sur la terre c’est le Nitrogène (N) ou l’Azote (N2):
    • numéro atomique (Z): 7
    • masse atomique: 14u
    • Le 80% de l’air qu’on respire est constitué d’Azote (Nitrogène).
    • En réalité, nous vivons dans une grande soupe de molécules d’Azote qui entrent et sortent constamment de notre organisme.
    • Heureusement pour nous, l’Azote dans sa forme moléculaire N2 est:
      • incolore
      • indolore
      • insipide
      • inoffensif
  • L’histoire passionante du Carbone 14 commence avec le nitrogène qui se trouve dans les couches hautes de l’atmosphère et qui est exposé aux radiations de particules qui proviennent de l’espace et qui bombardent constamment notre planète.
    • Ces rayons cosmiques altèrent le noyau des atomes qui se trouvent sur son chemin et libèrent des neutrons.
    • De temps à autres, un atome de nitrogène reçoit l’impact d’un de ces neutrons libérés par les rayons cosmiques.
    • Le neutron expulse un proton du noyau de l’atome de Nitrogène et prend sa place.
    • Mais comme on l’a dit auparavant, ce sont les protons qui donnent à l’atome ses caractéristiques chimiques.
    • Lorsque l’atome de Nitrogène perd un de ses 7 protons, il se convertit automatiquement en un atome de Carbone.
    • Mais un atome de Carbone très spécial qu’on appelle le Carbone 14:
      • 6 protons
      • 8 neutrons
    • De tout le Carbone présent dans la nature:
      • 98,89% de Carbone 12 (C) – (6+6).
      • 1,11% de Carbone 13 (13C) – (6+7) – Isotope stable du Carbone.
      • 1x10E-10% (0,0000000001%) de Carbone 14 (14C) – (6+8) – Isotope radioactif du Carbone.
  • Ces nouveaus atomes de Carbone 14 se distribuent dans l’atmosphère de manière régulières:
    • ils se combinent rapidement avec l’oxygène pour former du Dioxyde de Carbone.
    • Lors du cycle naturel de la biosphère terrestre, ce dioxyde de Carbone est absorbé et traité par les plantes lors de la photosynthèse (il se dissout aussi dans les océans).
    • Ensuite les animaux qui s’alimentent de plantes (ou qui s’alimentent d’autres animaux qui mangent des plantes) absorbent à leur tour dans leur organisme du Carbone.
    • Le Carbone 14 se répand donc dans la biosphère tout au long de la chaîne alimentaire.
    • La quantité de Carbone 14 par rapport au Carbone total est considérée comme uniforme dans l’atmosphère, la surface des océans et la biosphère en raison des échanges permanents entre les organismes vivants et leur milieu.
    • Donc durant sa vie, un organisme assimile le même pourcentage de Carbone 14 présent dans l’atmosphère.
    • 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 Carbone 14 est constant.
    • Donc le rapport du Carbone 14 par rapport au Carbone 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).
    • Tant que la plante ou l’animal est vivant, cette absorption de Carbone 14 continue à se produire de façon constante.
    • Ce processus d’absorption  se termine uniquement quand l’être vivant (plante ou animal) meure, et donc conclut son échange avec la biosphère (généralement lorsqu’il est enterré ou isolé de la nature).
  • C’est alors que le Carbone 14 va jouer son rôle:
    • Comme tous les isotopes radioactifs, le Carbone 14 est un atome instable.
    • Son équilibre naturel a été altéré et il va tendre à le récupérer tôt ou tard.

Comment utilise-t-on le Carbone 14 pour déterminer l’âge de quelque chose?

  • À la mort d’un organisme, tout échange avec le milieu extérieur cesse, mais le Carbone 14 initialement présent reste “piégé” et sa quantité se met à décroître au cours du temps selon une loi exponentielle.
  • Ce processus de décroissance radioactive s’appelle désintégration beta et permet de savoir depuis combien de temps l’organisme est mort.

    • Un des neutrons du noyau se convertit spontanément en un proton, et émet un électron (et un anti-neutrino).
    • Le Carbone 14 se transforme ainsi à nouveau en un vulgaire atome de Nitrogène.
    • Après un période radioactive (demi-vie) de 5568 ans, la moitié des atomes de Carbone 14 se seront convertis en Nitrogène.
    • => plus un reste organique reste longtemps enterré, plus faible sera sa concentration en Carbone 14.
    • Le Carbone 14 est intéressant car sa période radioactive est longue.
  • On voit que la datation par le Carbone 14 se fonde sur la présence dans tout organisme de Carbone 14 en infime proportion.
  • Un échantillon de matière organique issu d’un organisme peut donc être daté en mesurant soit le taux de Carbone 14 par rapport au Carbone total, soit son activité radioactive X années après la mort de l’organisme.
  • La première chose c’est de connaître les principes théoriques du cycle du Carbone 14, une autre est de mesurer avec précision la teneur en Carbone 14 d’un échantillon pour déterminer son âge.
  • Les méthodes utilisées sont très chères.
  • Les outils doivent être très performants car l’activité radioactive du Carbone 14 est faible (longue période radioactive)
  • Les archéologues doivent donc choisir avec soin l’échantillon utilisé pour effectuer la datation.
    • Parfois il suffit juste d’une toute petite partie du reste organique pour pouvoir établir l’âge de l’ensemble.
  • Le premier outil de mesure de la datation au Carbone 14 vient des recherches réalisées durant la 2ème guerre mondiale par le chimiste Willard Libby qui travaillait sur la séparation des isotopes d’Uranium pour la fabrication de la bombe atomique. Willard Libby a d’ailleurs reçu le prix Nobel de chimie en 1960 pour le développement de cette première méthode de datation.
  • La méthode actuelle la plus sophistiquée (spectrométre de masse) permet de dater des échantillons très petits (moins d’un milligramme) et très vite (en moins d’une heure).
  • La mesure possède tout de même ses limites et des marges d’erreur:
    • On sait que tout au long des millénaires, la radiation cosmique n’a pas toujours été la même.
      • => Il y a donc eu des périodes de plus grandes concentrations de Carbone 14 dans l’atmosphère, et des périodes de moindre concentration.
    • L’isolement (environnement fermé) de l’échantillon à dater est aussi indispensable; s’il incorpore de nouveaux atomes de Carbone après sa mort, le rapport du Carbone 14 vis-à-vis du Carbone total est bouleversé et le résultat ne sera pas fiable.
      • => S’assurer que l’échantillon n’a pas été contaminé par des apports de Carbone 14 extras.
    • La demi-vie de 5568 ans du Carbone 14 mesurée en 1951 est encore utilisée par convention, officiellement 5730 ans mesuré en 1961.
    • Ce calcul de la demi-vie n’a pas non plus été établie avec exactitude, on maintient une marge d’erreur de +-30 ans.
    • Le domaine d’utilisation de cette méthode correspond à des âges absolus de quelques centaines d’années jusqu’à, et au plus, 50 000 ans:
    • Les résultats sont donnés en années “Before Present” (BP).
      • L’année de référence à partir de laquelle est mesuré le temps écoulé depuis la mort de l’organisme est fixée à 1950.
      • Les mesures actuelles se basent sur un niveau de Carbone 14 égal à celui de 1950.
      • A partir des années 1950 la signature isotopique de l’atmosphère a été modifiée:
        • par le rejet de dioxyde de carbone provenant de combustibles fossiles (qui ne contiennent pas, ou presque pas de Carbone 14)
        • par la prolifération des armes nucléaires qui a sensiblement altéré les taux des isotopes radioactifs de tous types présents dans l’atmosphère et donc dans les organismes vivants.
    • 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.

Sources:

http://fr.wikipedia.org/wiki/Carbone_14

http://fr.wikipedia.org/wiki/Datation_par_le_carbone_14

http://amazings.es/2010/10/18/el-carbono-14-para-torpes/ (article en espagnol)

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