Datation au carbone 14
La datation au carbone 14 est une méthode de mesure de l'âge absolu (datation) d'un échantillon de matière organique, basée sur la mesure de l'activité radiologique du carbone 14 contenu dans cette matière. C'est une méthode de datation radioactive.
La datation au carbone 14 permet de mesurer des âges absolus jusqu'à environ 50 000 ans. C'est un outil puissant grâce auquel les archéologues datent des événements autrefois difficiles à dater, en particulier ceux dont l'âge dépasse 6000 ans (préhistoriques).
En 1960, Willard Frank Libby a reçu le Prix Nobel de Chimie pour le développement de cette méthode.
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Principe de la datation
Le carbone 14 (14C) ou radiocarbone est un isotope radioactif du carbone dont la période (ou demi-vie) est égale à 5740 ans.
La datation au carbone 14 se fonde sur la présence dans tout organisme vivant de radiocarbone en infime proportion (de l'ordre de 10-12 pour le rapport 14C/C total).
L'activité radiologique du radiocarbone décroit au cours du temps selon une loi exponentielle à partir de l'instant où meurt un organisme. Un échantillon de matière organique issu de cet organisme peut donc être daté en mesurant son activité.
Origine du radiocarbone naturel
Le radiocarbone naturel circule dans trois réservoirs : l'atmosphère, les océans et la biosphère.
Le radiocarbone ayant une demi-vie d’environ 5740 ans, il aurait depuis longtemps disparu de la Terre s’il n’y avait une production permanente.
Dans la haute atmosphère, les protons du rayonnement cosmique produisent des neutrons. Après avoir été ralentis par collision avec les molécules de l'air, les neutrons réagissent avec l'azote pour former du radiocarbone :
- n + 14N → 14C + 1H
Cette réaction est privilégiée du fait que l’azote constitue presque 80 % de l’atmosphère de la terre. C’est entre 7000 mètres et 12 000 mètres que la production de radiocarbone a lieu.
Le radiocarbone 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 du radiocarbone dans l'atmosphère par photosynthèse et elles sont mangées par les animaux. Le radiocarbone se répand dans la biosphère tout au long de la chaîne alimentaire.
Le rapport 14C/C total est considéré uniforme dans l'atmosphère, les 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. Par conséquent, le taux de production du radiocarbone est constant, donc le rapport 14C/C total dans l’atmosphère, les 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 du radiocarbone 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.
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 (5730 ans). Dater un échantillon de matière organique consiste à mesurer le rapport 14C/C total (ce qui 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 au 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 datées au carbone 14 car le rapport 14C/C total est trop faible pour être mesuré par les techniques actuelles ; et un âge inférieur à 35 000 ans est indispensable pour une bonne précision.
La méthode la plus courante de datation consiste à déterminer la concentration Ct 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 :
où C0 est la concentration de radiocarbone de l'échantillon à l'instant t0 de la mort de l'organisme d'où provient l'échantillon (
) et λ la constante radioactive du carbone 14 (
).
Demi-vie conventionnelle
L'âge carbone 14 conventionnel d'un échantillon de matière organique est calculé à partir d'une demi-vie conventionnelle de 5568 ans, calculée en 1950 à partir d’une série de mesures. Depuis, des mesures plus précises ont été réalisées qui donnent une demi-vie 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 au carbone 14 et par l'archéologie ou la dendrochronologie posent problème.
Suite aux variations du champ magnétique terrestre, le taux de production du radiocarbone naturel a 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, les essais nucléaires ont presque doublé la quantité de radiocarbone dans l’atmosphère.
Par conséquent, le rapport 14C/C total dans la biosphère n'est pas tout à fait constant dans le temps. Il est donc nécessaire de construire des courbes d'étalonnage, fondées sur la comparaison de datations au carbone 14 et de 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 carbone 14 ayant disparu au cours de la longue durée d'enfouissement des combustibles fossiles.
Ce sera également le cas des gaz carbonés rejetés par ces véhicules ; ainsi, la datation au 14C d'un arbuste poussant en bordure des autoroutes pourra fréquemment lui attribuer un âge 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 14C, issus de combustibles fossiles.
Exemples de datations au carbone 14
Histoire de la découverte de la datation au carbone 14
Voir Willard Frank Libby.
Liens externes
- (fr) Centre de datation par le carbone 14 (informations complètes sur la méthode)
- (fr) Datation au carbone 14 (niveau lycée)
- (en) Online Radiocarbon Calibration
Voir aussi
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