Datation au carbone 14 Article, Signification, Explication
La datation au carbone 14 est une méthode de mesure de l'âge absolu (datation) d'un échantillon de matière organique c'est-à -dire du temps écoulé depuis la mort de l'organisme dont cette matière est issue.
L'âge absolu limite qui peut être mesuré est d'environ 50 000 ans. La datation au carbone 14 est un outil puissant grâce auquel les archéologues datent des événements auparavant indatables, en particulier ceux qui sont vieux de plus de 6000 ans (préhistoriques).
En 1960, Willard Frank Libby a reçu le Prix Nobel de Chimie pour avoir développé la datation au carbone 14.
Le carbone a deux isotopes stables : le carbone 12 (12C), et le carbone 13 (13C). Il a aussi un isotope radioactif : le carbone 14 (14C) ou radiocarbone. La datation au carbone 14 se fonde sur la présence dans tout organisme de cet isotope radioactif en concentration infinitésimale (un atome de carbone 14 pour mille milliards d’atomes de carbone 12) et constante tant que l'organisme est vivant puis lentement décroissante après sa mort.
Le radiocarbone naturel circule dans trois réservoirs : l'atmosphère, les océans et la biosphère. Le radiocarbone a une demi-vie d’un peu moins de 6000 ans, et 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.
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 sa concentration de radiocarbone naturel (ce qui reste suite à la désintégration) et à en déduire son âge. La concentration est mesurée 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 à la concentration, 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 de la concentration 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. Un aimant sépare les différents isotope du carbone 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 leur concentration de radiocarbone naturel est trop faible pour être mesurée par les techniques actuelles.
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 !
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, la concentration du radiocarbone naturel dans la biosphère n'est pas tout à fait constante dans le temps. Il est 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.
Les automobiles brûlent des produits pétroliers qui sont, vu la durée de leur enfouissement, constitués de carbone 12 presque pur. Si l'on s'amuse à dater par le carbone 14 un arbuste en bordure des autoroutes, on peut fréquemment lui trouver un âge de douze mille ans ou plus. Au-delà de l'anecdote, des tables de correction existent pour les datation liées à la révolution industrielle, en fonction des lieux d'émission de carbone 12 issu de la houille (le charbon de bois utilisé antérieurement ne pose bien entendu pas de problème).
Willard Frank Libby, dont les travaux pionniers sont récompensés par le Prix Nobel de Chimie en 1960, est considéré comme le père de la datation au carbone 14. L'idée de cette méthode de datation serait née en 1939 à la lecture d'un article de Serge A. Korff. « Dès que j'ai lu le papier de Korff, sur sa découverte de neutrons dans les rayons cosmiques, c'est la datation au carbone ». Cette déclaration de Libby respecte une figure traditionnelle de la découverte, une lumière soudaine jetée sur une question qui fait entrevoir d'un seul coup toute la solution. L'immédiateté de la découverte, telle qu'elle est décrite rétrospectivement par Libby, peut être mise en contraste avec le long processus qui aboutit à la datation au carbone 14.
1930 Libby réalise le premier compteur Geiger-Müller construit aux États-Unis.
1934 Libby met au point le compteur à grille pour mesurer de faibles radioactivités.
1940 Martin Kamen et Samuel Ruben découvrent le carbone 14.
1939 Naissance de l’idée de datation au carbone 14 lorsque Libby lit un article de S.A. Korff et W.E. Danforth, qui ont envoyé dans la stratosphère un compteur de neutrons placé à bord d'un ballon. Cette expérience montre que le taux de comptage des neutrons augmente plus vite avec l'altitude que le total des radiations.
Juin 1946 Lettre de Libby dans la Physical Review sur le tritium et le radiocarbone atmosphériques issus des rayons cosmiques. Libby prévoit une activité spécifique constante de la biosphère due à une concentration constante de radiocarbone. Cette prédiction s'appuie sur la construction d’un modèle théorique de la distribution du radiocarbone naturel c'est-à -dire le modèle d'un système de trois réservoirs (l’atmosphère, les océans et la biosphère) en équilibre d'échange. dans cette lettre, il ne fait aucune allusion à la datation au carbone 14.
Mai 1947 Article dans la revue Science qui décrit l'expérience mettant à l'épreuve le modèle théorique de la distribution du radiocarbone naturel construit par Libby. Il révèle au grand public après huit ans de silence le projet de datation au carbone 14 en ces termes :
« La découverte du carbone 14 produit par les rayons cosmiques a de nombreuses implications intéressantes dans les champs de la biologie, de la géologie et de la météorologie ; certaines d'entre elles sont en train d'être explorées, en particulier la détermination des âges de diverses matières carbonées dans le domaine compris entre 1000 et 30 000 ans ».
1945 Libby nommé Professeur de Radiochimie à l'Université de Chicago qui abrite le tout nouvel Institute for Nuclear Studies. C’est le début de la phase de travail expérimental nécessaire à la réussite du projet de datation au carbone 14. Dans son laboratoire, le 217 Jones Laboratory, deux jeunes chercheurs, Ernest C. Anderson et James R. Arnold, participent activement à cette phase qui peut être divisée en trois parties : test du modèle théorique d'une distribution uniforme et constante du radiocarbone naturel, perfectionnement des techniques de mesure de faibles radioactivités et détermination précise de la demi-vie du carbone 14.
1949 Première datation au carbone 14 de deux échantillons de bois venus de tombes égyptiennes dont l'âge, bien établi par les archéologues, est d'environ 4600 ans.
Si l'on admet que l'idée de la datation au carbone 14 naît en 1939 à la lecture de l'article de Korff et Danforth, il est tentant d’imaginer un cheminement possible du raisonnement de Libby. Cette reconstitution s'appuie sur les ressources dont Libby peut disposer en 1939. Libby apprenant l'existence en quantité non négligeable de neutrons dans la haute atmosphère en déduit l'existence probable de radiocarbone naturel. Familier, grâce à ses liens avec Ruben, des recherches sur les traceurs biologiques et la photosynthèse, il imagine que la matière organique intègre une partie de ce radiocarbone et devient radioactive. Même si cette activité est faible, ses propres travaux lui donne bon espoir de pouvoir la mesurer. De manière analogue à la datation radioactive de minerais qui est une application naturelle de l'existence de roches radioactives, la datation au carbone 14 s'impose alors à l'esprit.
Libby garde totalement secret son projet de datation au carbone 14 jusqu'en 1946 et ne le révèle au grand public qu'en 1947. Pourquoi Libby garde-t-il aussi longtemps secret son projet de datation au carbone 14 ?
Selon Libby, l'idée de datation au carbone 14 est incroyable. Il ne peut espérer être financé pour un tel projet. Il semble également que le manque de notoriété de Libby en 1939, lorsqu'il a l'idée de la datation au carbone 14, puisse expliquer pour partie son choix de garder cette idée secrète. Pendant la Seconde Guerre mondiale, Libby voit son statut changer et en 1945, il est une des « stars » de l'équipe qui se forme au Institute for Nuclear Studies de Chicago. En août 1940, Libby s'engage dans le Projet Manhattan en intégrant le groupe de Harold Clayton Urey à l'Université Columbia qui a entre autre pour mission de mettre au point une technique de diffusion gazeuse pour séparer l'uranium 235, fissible de l'uranium 238. Le groupe de Urey se heurte à des problèmes persistants de barrière et de pompage. Il faut entre autre trouver un moyen de protection contre le gaz utilisé, de l'hexafluoride d'uranium, très corrosif. Libby dirige un équipe qui se concentre sur ce problème de corrosion. L'étude chimique de l'hexafluoride d'uranium lui permet de découvrir les facteurs principaux de la corrosion ainsi que des matériaux suffisamment résistants pour, finalement, passer au stade industriel.
Avant la guerre, Libby souffre d'un manque de notoriété qui peut l'empêcher de mener à bien son projet de datation au carbone 14. En participant activement au succès du Projet Manhattan, Libby acquiert une plus grande notoriété et des alliés, en particulier Grosse et Urey, qui sont des atouts majeurs pour la réussite de la datation au carbone 14. Juste après la guerre, il investit son crédit scientifique, qui lui assure un laboratoire à l'Université de Chicago, des moyens et des collaborateurs de qualité, dans la réalisation concrète de son projet. Il reçoit l'aide de Grosse qui participe, en prêtant une machine très coûteuse, à la première expérience pour tester le modèle théorique de la distribution du radiocarbone naturel. Enfin, son amitié avec Urey lui permet de bénéficier du soutien d'un scientifique mondialement connu grâce à son prix Nobel et, plus prosaïquement, d'une bourse du Viking Fund.
Une façon d'apprécier la place de Libby dans le processus qui aboutit à la datation au carbone 14 est de voir en lui le catalyseur d'un processus qui pourrait prendre un temps infiniment long. Libby réussit à relier les éléments épars de la datation au carbone 14. Plus largement, l'histoire des débuts de la datation au carbone 14 révèle des formes d'interdisciplinarité plus ou moins développées s'organisant chacune autour de concepts, d'acteurs, de lieux ou d'instruments qui font office d'intermédiaires entre plusieurs disciplines.
La mise au point de la première méthode de datation radioactive, la datation de minerais, engage les géologues et les spécialistes de la radioactivité dans un effort commun long d'un demi-siècle pour estimer précisément l'âge de la Terre. L'analogie est frappante entre la datation radioactive de minerais et la datation au carbone 14 qui révolutionnent la pratique de la géologie ou de l'archéologie en substituant aux chronologies relatives, déduites par stratigraphie, une chronologie absolue. La datation au carbone 14 introduit la dimension du vivant dans la datation radioactive.
Libby étudie la chimie à l'Université de Berkeley. Son travail de thèse consiste à chercher des éléments naturellement radioactifs. Il obtient son Ph.D en 1933 et reste à Berkeley où il poursuit ses recherches, pour l'essentiel en radiochimie, jusqu'en 1941. Il met notamment au point son compteur à grille.
La radiochimie et la radiobiologie connaissent alors un essor considérable autour du Radiation Laboratory et de son cyclotron. Le cyclotron est l'instrument phare du Radiation Laboratory qui en construit de plus en plus grands au cours des années 1930 sous l'impulsion de Ernest Orlando Lawrence, son ambitieux directeur et rassemble autour de cet instrument des chercheurs de différentes disciplines (cf. Berkeley Lab). La découverte du carbone 14 par Martin Kamen et Samuel Ruben est une conséquence de leurs travaux sur l'usage de radioisotopes comme traceurs biologiques (cf. carbone 14). Ce concept de traceur est sans doute à la racine de l'idée de datation au carbone 14 qui germe dans l'esprit de Libby en 1939.
Le rôle d'intermédiaires entre la radiochimie et l'archéologie est joué par Urey, dont la notoriété dépasse les frontières disciplinaires, et Arnold, qui hérite de son père la passion de l'archéologie. Les liens entre l'équipe de Libby et la communauté archéologique américaine ont pour conséquences les plus tangibles une bourse de 13 000 dollars du Viking Fund for Anthropological Research et la création en 1948 du Comité sur le carbone 14, composé de trois archéologues et d'un géologue, qui se charge de sélectionner les échantillons archéologiques à dater au carbone 14.
Si le projet de datation au carbone 14 ne naît pas d'une demande des archéologues, l'enthousiasme de ceux-ci en le découvrant montre la présence d'un besoin latent et donc d'un débouché potentiel. Pour que ce débouché soit effectif c'est-à -dire que la datation au carbone 14 devienne d'un usage courant, il faut d'abord développer une technique suffisamment économique. Il s’agit d’une véritable coopération et non pas de la simple diffusion d'une technique de datation au carbone 14 « clé en main ». En effet, la datation au carbone 14 ne peut être pleinement testée qu'en datant des échantillons de matière organique dont l'âge est connu par un autre moyen tel que des échantillons prélevés sur des objets archéologiques appartenant à une période historique.
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Origine du radiocarbone naturel
Cette réaction est facilitée du fait que l’azote constitue presque 80% de l’atmosphère de la terre. C’est entre 7000 mètres et 12000 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. Comme on suppose que le flux de rayons cosmiques est constant sur une longue période de temps, le taux de production du radiocarbone et donc sa proportion par rapport au carbone non radioactif dans l’atmosphère et les océans restent constants (le nombre d’atomes produits égale le nombre d’atomes qui se désintègrent). 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. 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
Demi-vie conventionnelle
Courbes d’étalonnage
Anecdote
Exemples de datations au carbone 14
DĂ©couverte de la datation au carbone 14
Les grandes étapes de la découverte
Les ressources
Un projet gardé secret (1939-1947)
Travail expérimental et première datation (1945-1949)
1947 L’équipe de Libby, avec l’aide de Aristid Von Grosse, mesure l'activité spécifique de la matière organique contemporaine due au radiocarbone naturel (dans des échantillons de méthane issus des égouts de Baltimore). C’est le premier test expérimental du modèle théorique de la distribution du radiocarbone naturel.Pourquoi Libby garde-t-il aussi longtemps secret son projet de datation au carbone 14 ?
Découverte et interdisciplinarité
Datation radioactive de minerais et datation au carbone 14
Libby à l’université de Berkeley dans les années 1930
Datation au carbone 14 et archéologie
A lire
Voir aussi