Datation par le carbone 14

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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 connaitre 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^[1]. 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.

Sommaire

1 Historique
2 Principe de la datation
3 Origine du radiocarbone naturel
4 Mesure de l’âge d’un échantillon de matière organique
5 Limites de la datation au carbone 14
6 Voir aussi

[modifier] 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).

[modifier] 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 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.

[modifier] 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 :

$\mathrm{n} + ^{14}\!\mathrm{N} \rightarrow ^{14}\!\mathrm{C} + ^{1}\!\mathrm{H}$

Cette réaction est privilégiée du fait que l’azote constitue 78,11 % de l’atmosphère de la Terre. C’est entre 7000 mètres et 12 000 mètres que la production de radiocarbone a principalement lieu.^{[réf. nécessaire]}

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.

[modifier] 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 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 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 ( $\lambda=\frac{\ln2}{t_{\frac{1}{2}}}\approx1,210\cdot10^{-4}\ \mathrm{ans}^{-1}$ ).

[modifier] 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 !

[modifier] 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, les essais nucléaires ont presque doublé 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.

[modifier] 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.

[modifier] Limites de la datation au carbone 14

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

Il faut tout d'abord que l'élément que l'on veut dater ait incorporé des éléments carbonés, essentiellement présent dans les êtres vivants (donc méthode peu utilisable pour dater des produits minéraux et roches) ;
Il faut ensuite s'appuyer sur le principe d'actualisme et supposer que le rapport ¹⁴C/C est resté constant depuis la date de l'élément jusqu'à aujourd'hui ;
La fermeture du système de l'élément est aussi indispensable pour que l'élément n'incorpore pas de nouveaux atomes de carbone et que le rapport ¹⁴C/C ne soit pas bouleversé ;
Enfin la période de désintégration du ¹⁴ est de 5730 années et donc on ne peut dater que des élément d'environ 6000 ans à 50000 ans (on utilisera alors d'autres méthodes comme la datation au potassium-argon ou la datation par le couple rubidium-strontium pour des datations plus anciennes).