Carbone 14
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Le carbone 14 est un isotope radioactif du carbone, noté 14C.
Son unique mode de désintégration se fait par émission d'une particule bêta de 156 keV en se transmutant en azote 14N ; avec une demi-vie de 5730 ans (+/- 40 ans). Le carbone 14 est le seul radioisotope du carbone qui trouve des applications (les autres radioisotopes comme le 12C ont une demi-vie trop courte) : pour cette raison, il est parfois appelé radiocarbone.
Applications
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 formet du carbone 14. Ceci correspond à la « découverte au sens physique » du carbone 14 par opposition à la « découverte au sens chimique » du carbone 14, 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 à cause de la demi-vie de 21 minutes seulement de ce radioisotope. 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 demi-vie, le carbone 14.
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 demi-vie plus longues des éléments qui sont les principaux constituants des composés organiques : hydrogène, carbone, azote ou oxygène.
Cette campagne de recherche systématique commence par le carbone. Kamen et Ruben bombardent du graphite avec des noyaux de deutérium (deutons ou deutérons). L'activité qu'ils mesurent le 27 février 1940 est faible, environ quatre fois le bruit de fond, mais confirme l'existence du carbone 14 dont la demi-vie de plusieurs milliers d'années se révèle bien supérieure à ce que prévoyait la théorie. Cette longue demi-vie explique pourquoi le carbone 14 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 de deutérons avec du carbone 13.
L'application comme traceur biologique du carbone 14 reste toutefois limitée à cause du mode de production qui exige l'emploi d'un cyclotron comme source de neutrons.
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.