Carbone 14

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Le Carbone 14 est un isotope radioactif du Carbone dont la demi-vie est d’environ 5 734 ans. L’isotope stable du Carbone est le Carbone 12. Du fait de son instabilité, le Carbone 14 ne représente qu’une faible partie de la totalité des atomes de l’ensemble des atomes de Carbone présents sur Terre (un atome de Carbone 14 sur mille milliards d’atomes de Carbone !).

Si l’on retrouve toujours des atomes de Carbone 14 alors que sa demi-vie est relativement courte par rapport à l’histoire de la Terre c’est qu’il existe un mécanisme qui régénère en permanence le stock de ces isotopes.

 

C’est dans les hautes couches de l’atmosphère, et grâce à l’action des rayonnements cosmiques que sont créés les nouveaux atomes de Carbone 14 :

  • Le rayonnement cosmique qui arrive sur Terre a traversé de très longue distance sans rencontrer le moindre atome. Mais en arrivant dans l’atmosphère, les particules cosmiques se retrouvent dans un milieu beaucoup plus dense et interagissent fortement avec les atomes et molécules qui le constituent

  • Ces interactions sont cataclysmiques car l’énergie des rayonnements cosmique est grande. Apparaît alors une gerbe de particules, formées en cascade par la collision initiale et les collisions successives de ses sous-produits. A chaque nouvelle génération de collision qui se produit dans cette cascade, les particules générées sont de moins en moins énergétiques. Au total, une particule de très haute énergie peut créer jusqu’à un milliard de sous particules, dont la plupart ont une durée de vie très courte et se transforment en électrons et neutrinos

  • Lors de ces interactions, une partie des particules est émise sous la forme de neutrons

  • Certains de ces neutrons ont une énergie suffisante, ni trop faible, ni trop grande, pour interagir avec les atomes d’azote présents dans l’air, et notamment les atomes d’Azote 14, isotope stable.

  • L’Azote représentant plus de 78% de l’atmosphère, cela explique la forte probabilité de cette interaction

  • L’interaction d’un noyau d’azote 14 avec un des neutrons issus de la gerbe cosmique provoque la libération d’un des protons : l’élément recule d’une case dans la  classification périodique en perdant son proton (Azote-> Carbone) mais conserve le même nombre de nucléons (le neutron capturé a remplacé le proton)

  • Cette réaction a permis naturellement de transformer un noyau d’Azote très stable, en noyau de Carbone 14 instable avec une demi-vie de 5 734 ans

Le carbone est un des piliers du cycle de la vie sur Terre. Comme le Carbone 14 a les mêmes propriétés physiques que le Carbone 12 il se retrouve naturellement dans les organismes vivants, les océans et l’atmosphère, dans cette faible proportion d’un atome de Carbone 14 sur mille milliards d’atomes de Carbone.

 

 

Cycle du Carbone 14. C’est dans les hautes couches de l’atmosphère, et grâce à l’action des rayonnements cosmiques que sont créés les nouveaux atomes de Carbone 14

Cycle du Carbone 14

 


Deux caractéristiques spécifiques font du Carbone 14 un allié précieux pour la datation de certains types d’objets :

  • Intégration du carbone 14 dans les organismes : les organismes vivants utilisent de grandes quantités de Carbone pour leur métabolisme. Les atomes de Carbone issus de l’environnement (eau, alimentation, atmosphère) sont assimilés dans les tissus lorsque l’organisme est vivant, et par conséquent, le taux de Carbone 14 (un atome sur mille milliards d’atomes de Carbone) est à peu près constant dans les tissus.

    Une fois l’organisme mort, il n’intègrera plus de nouveaux atomes de Carbone : le taux de Carbone 14 va diminuer régulièrement au fur et à mesure des désintégrations

  • Constance supposée du rayonnement cosmique reçu : Le rayonnement cosmique est à peu près constant à l’échelle de la vie sur Terre. Le taux d’azote est lui aussi à peu près constant sur cette même échelle. Cela veut dire que la production des atomes de Carbone 14, directement liée au taux de rayonnement cosmiques et au taux d’atomes d’azote disponibles, est également à peu près constante

 

Connaissant ces deux caractéristiques et la demi-vie de l’atome de Carbone 14, il est possible de déterminer assez précisément la date de fin de vie de l’organisme en mesurant le taux résiduel de Carbone 14.

Par exemple, si le taux résiduel est de la moitié du taux habituellement constaté, il a fallu une demi-vie de temps pour que ces atomes de Carbone 14 se désintègrent, soit 5 734 ans (l’organisme est donc mort depuis environ 5 734 ans).

Si le taux résiduel est du quart, il aura fallu deux demi-vies, soit 11 468 ans.

La demi-vie du Carbone 14 (5 734 ans) est un véritable atout :

  • Assez grande pour permettre d’avoir peu de cycles de demi-vies sur une période de temps assez longue, et obtenir une bonne précision (une demi-vie de quelques années seulement au lieu de 5 734 ans ferait baisser le taux de Carbone 14 trop rapidement pour que l’on puisse l’utiliser)

  • Assez petite pour rester à taille humaine et ainsi obtenir une précision des résultats qui les rend utilisables (précision de quelques dizaines d’années parfois, alors que si la demi-vie était de 1 millions d’années, la précision serait de l’ordre du millier d’années)

Il faut néanmoins regarder ces datations avec un œil critique et chercher à les corréler grâce à d’autres indices ou mesures car il y a quelques limites à cette méthode :

  • Tous les objets ne peuvent pas être datés : Seuls les objets directement issus d’organismes vivants peuvent être datés (squelette, bois, etc.) car le métabolisme de l’organisme a intégré du Carbone 14 à travers son métabolisme. Les pierres ou les objets en métal ne peuvent pas être datés par cette méthode

  • Problématique des organismes à vie longue : Ce problème concerne entre autres certains arbres dont la durée de vie peut dépasser plusieurs centaines d’années. Le bois de l’arbre croît en grossissant et les cellules créées n’évoluent plus par la suite: les parties internes de l’arbre et les parties les plus externes peuvent présenter des taux différents de Carbone 14, à cause du taux atmosphérique au moment de la création des cellules du bois et au fait que les cellules les plus anciennes ont déjà subi un nombre de désintégrations des isotopes de Carbone 14 qui n’est plus négligeable.

    Si l’échantillon présente clairement la structure complète du tronc, la datation est possible. Mais s’il est difficile de positionner l’échantillon par rapport à la structure de l’arbre et à son âge (cas des morceaux de charbon de bois), la datation est trop imprécise

  • La date obtenue est celle de la mort de l’organisme : La baisse du taux de Carbone 14 commence avec la mort de l’organisme et c’est cette date que l’on peut approximer. Si ce que l’on souhaite dater est directement l’organisme, cette information est correcte. Mais si l’on souhaite par exemple dater une statue confectionnée dans un tronc d’arbre, il ne sera pas possible de déterminer par cette méthode si elle a été sculptée quelques années ou quelques siècles après que l’arbre ait été abattu

  • La datation au Carbone 14 n’est pas absolue : Elle doit être confrontée à d’autres indicateurs pour garantir la justesse des mesures. Particulièrement, il existe dans le temps des fluctuations mineures dans les taux de Carbone 14 présents dans l’atmosphère qui doivent être prises en compte si l’on souhaite améliorer la précision.

    L’amplitude de ces variations est souvent déterminée en comparant du matériel daté précisément (corrélation avec un évènement historique, date ou évènement gravé sur l’objet, etc.) avec le taux de Carbone 14 détecté dans cet objet. On obtient alors des corrections correspondant à une période donnée et qui permettent d’affiner la datation de tous les objets de cette époque

  • Précision de la demi-vie : La demi-vie du Carbone 14 est aujourd’hui évaluée à 5 734 ans, plus ou moins 40 ans.  Mais la valeur initialement estimée en 1951 était de 5 568 ans plus ou moins 30 ans.

  • Taille des échantillons : La mesure est d’autant plus précise que la taille de l’échantillon est assez grande pour éviter toute erreur d’évaluation. C’est une des failles de cette méthode car pour être très précis il faut parfois détruire une part non négligeable de l’objet à dater

  • Limite de la précision : La datation étant basée sur le taux résiduel du Carbone 14 dans l’objet à dater, les erreurs de mesure ne sont plus négligeables quand ce taux est très bas, c'est-à-dire lorsque l’organisme est mort depuis très longtemps. On estime aujourd’hui la limite de fiabilité des datations à 35 000 ans maximum

  • Adaptation locale : Des situations locales peuvent influer temporairement ou sur le long terme le taux de Carbone 14 initial constaté dans les organismes. C’est par exemple le cas des zones volcaniques actives ou à forte érosion qui peuvent libérer de grande quantité de Carbone stable stockées dans les roches et ainsi baissere localement le taux de Carbone 14 constaté.

  • Variations récentes : Depuis le début de l’ère industrielle, la libération massive de carbone stable contenu dans le pétrole réduit le taux de Carbone 14 par rapport au carbone stable (de par leur âge, les nappes de pétrole ne contiennent que des isotopes stables du Carbone).

    Une autre variation récente concerne la diffusion massive de Carbone 14 lors des essais nucléaires atmosphériques, ce qui a tendance à augmenter le taux de Carbone 14.
    Ces changements n’impactent que les datations d’échantillons d’organismes nés après ces variations.


 

Utilisation du Carbone 14 pour réaliser des datations. Connaissant ces deux caractéristiques et la demi-vie de l’atome de Carbone 14, il est possible de déterminer assez précisément la date de fin de vie de l’organisme en mesurant le taux résiduel de Carbone 14.

Utilisation du Carbone 14 pour réaliser des datations

 


La limite de 35 000 à 50 000 ans de la datation au Carbone 14 pose problème dès lors que l’on souhaite dater des échantillons beaucoup plus anciens comme des squelettes d’animaux préhistoriques ou les restes des premiers êtres humains.

Le problème se pose également pour la datation des objets non organiques comme de la lave.

La datation nécessite alors de suivre des isotopes instables de beaucoup plus grande période (en milliards d’années). Il sera alors impossible d’obtenir une précision telle que celle obtenue avec le Carbone 14, et des chiffres à quelques dizaines de milliers d’années près sont fréquents.

La multiplication des méthodes de datation est nécessaire car chacune d’entre elles impose des conditions initiales particulières pour garantir la meilleure précision possible. En fonction de ce que l’on souhaite dater, il faudra alors sélectionner la méthode la plus efficace. Voici quelques-unes de celles les plus couramment utilisées.

Le Potassium 40 (demi-vie de 1,3 milliards d’années) subit deux types de désintégrations, une désintégration GAMMA vers de l’Argon 40, et une désintégration BETA- vers du Calcium 40. Cette méthode est adaptée à la datation des roches magmatiques si :

  • l’on suppose habituellement qu’à leur création elle ne contenait pas d’Argon 40 car il a été chassé par dégazage de la roche en fusion

  • la roche contient du potassium ce qui implique qu’une infime partie sera du Potassium 40 radioactif qui subira régulièrement des désintégrations

  • la roche est suffisamment imperméable pour garder dans ses anfractuosités le gaz d’Argon ainsi créé

 

En mesurant le taux de Potassium 40 par rapport à celui de l’Argon 40, il est alors possible de déterminer l’âge approximatif de la roche.

L’Uranium 238 subit plusieurs désintégrations intermédiaires avant d’atteindre l’état stable de l’isotope de Plomb 206. La demi-vie pour l’ensemble de ces étapes est de 4,5 milliards d’années, permettant de couvrir des datations de quelques millions d’années à environ 4,5 milliards d’années (ce qui correspond à l’âge de la Terre, et donc à celui des roches les plus anciennes que l’on pourrait théoriquement y trouver).

Cette datation est adaptée aux roches contenant de l’Uranium 238, et dont la teneur en Plomb initiale est nulle (comme le Zircon) ou dont la teneur initiale en Plomb est convenablement estimée.

Quant à l’Uranium 234 qui se transforme en Thorium 230 il permet la datation des coraux et des os fossilisés.

Le Rubidium 87 qui se transforme en Strontium 87 avec une demi-vie de 48 milliards d’années est quant à lui mieux adapté à la datation de roches comme le feldspath, le mica et la muscovite.

 

Autres types de datations utilisés. La limite de 35 000 à 50 000 ans de la datation au Carbone 14 pose problème dès lors que l’on souhaite dater des échantillons beaucoup plus anciens comme des squelettes d’animaux préhistoriques ou les restes des premiers êtres humains.


Autres types de datations utilisés

 

 

 

 


 

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