La datation au carbone 14 La structure de l'atome

Les atomes sont constitués d'un noyau formé de A nucléons (protons et neutrons) et d'un nuage de Z électrons situés sur un ensemble d'orbites énergétiques précises. Le nombre d'électrons étant identique au nombre de protons, l'atome est neutre. Dans la classification périodique, les éléments sont rangés par numéro atomique Z croissant avec la nomenclature ci-contre :

Les isotopes

Pour un même élément, le nombre de neutrons peut être variable avec des proportions précises dans la nature, ce sont des isotopes. Leurs propriétés chimiques et atomiques sont identiques, seule leur masse est différente. Le carbone en possède trois, 12C, 13C et 14C selon qu'il a 6, 7 ou 8 neutrons. La quantité de carbone 14 est extrèmement faible, il résulte du bombarement dans la haute atmosphère des atomes d'azote par les rayons cosmiques.

La radioactivité

Certains éléments ne sont pas stables, ils sont radioactifs car ils ont tendance à se désintégrer spontanément en un isotope plus stable en émettant un rayonnement. Le 14C est radioactif, il se désintègre en 14

7N et émet un anti-neutrino et un électron de manière très régulière dans le temps. On appelle ce phénomène la désintégration β- (transformation d'un neutron en proton).

La radioactivité β- : un quark down du neutron se désintègre en un quark up, un électron et un anti-neutrino électronique. Il reste donc dans le nucléon deux quarks up et un quark down, le neutron devient donc un proton.

On appelle période ou demi-vie, la durée au bout de laquelle il ne reste plus que la moitié de la quantité de l'élément radioactif de départ. La période du 14C est de 5730 ans.

La datation

Principe : La matière vivante consomme du carbone et les proportions des différents isotopes dans la matière organique sont celles de l'environnement. Dès la mort, les échanges avec l'environnement cessent, donc l'apport en 14C s'arrête si bien que se désintégrant, la teneur diminue. En dosant le 14C résiduel et connaissant sa période de demie-vie* correspondant à 13,6 désintégrations par minute et par gramme de carbone, on peut en connaître l'âge. Application pratique : On mesure le nombre de désintégrations d'un volume de 5 cm3 de CO2, provenant de la calcination de l'échantillon, à l'aide de compteurs proportionnels**.

xC % 12 13 14

98,892 1,108

1,2.10-12

Soit At le nombre de désintégrations d'un échantillon de bois mort et At0, celui de la même quantité d'un bois vivant. On peut écrire At = At0 e-t (Ln2 /T) où Ln2 / T est la constante de désintégration (T = 5568 ans*) soit,

t = 8,033.103 log(At0/At)

Historique : Le 14C a été découvert en 1934 par Franz N. D. Kurie à l'Université de Yale et la technique de datation a été mise au point en 1946 par Willard F. Libby (voir photo ci-contre) ce qui lui valu le prix Nobel de chimie en 1960. Incertitudes : Le 14C est produit dans la haute atmosphère sous l'effet du bombardement cosmique qui varie avec la lattitude et les cycles solaires, sa teneur peut donc varier mais on la considère fixe au cours des 40 000 dernières années. Limites : La méthode ne peut s'appliquer qu'à des objets ayant contenu de la matière organique : végétaux, ossements, terres cuites... La teneur en 14C est d'autant plus faible que l'objet à dater est vieux. La détection des très faibles teneurs est telle que la limite de datation est d'environ 70 000 ans. À l'inverse, les objets dont l'âge est inférieur à 1000 ans, ont un taux de 14C trop proche de celui d'aujourd'hui. (*) La communauté scientifique utilise depuis 1951 la période calculée par Libby (5568 ± 30 ans), mais lui affecte un coefficient de 1,029. (**) Les isotopes du carbone ayant des masses différentes, on peut les compter à l'aide d'un spectromètre de masse.

Le suaire de Turin

Le suaire de Turin présente,sur une toile de lin, l'image en négatif (découverte par un photographe au XIXe siècle) d'un suplicié que beaucoup identifient comme le Christ. Ce linge très ancien a beaucoup souffert et a été restauré à plusieurs époques. S'il s'agit réellement du Christ, la datation de fibres du tissu à l'aide du 14C doit donner un âge d'environ 2000 ans. En 1988, trois échantillons sont confiés à trois laboratoires (Arizona, Oxford, Zurich) qui utilisent la technique de datation du carbone 14 par spectrométrie de masse. Parallèlement trois autres échantillons d'âge connu mais non divulgué leurs sont distribués afin de valider la mesure. Les résultats sont publiés en octobre : année1325 ± 65 ans soit 660 ans environ. Malgré ce résultat, la controverse est toujours d'actualité, certains réfutant la technique, d'autres arguant que les échantillons ont été prélevés sur une partie restaurée ou encore qu'une contamination récente (bactéries ou champignons) viendrait fausser la mesure.

Admettons que le suaire a effectivement 2000 ans, les questions qu'on est en droit de se poser sont, à quelle époque la contamination eut lieu et quelle quantité est nécessaire pour expliquer l'erreur de 1340 ans.

Imaginons trois dates de contamination (récente, 1800 et 1500), le calcul montre que la fraction de carbone (par rapport au total) provenant de la contamination est telle qu'elle ne pouvait passer inaperçue.

@ consulter

- Datation au carbone 14 : A . Matthieu http://www.phpmyvisites.net/web/carbone14/index.php - Méthode de datation 14C : Université de Lyon http://carbon14.univ-lyon1.fr/methode.htm - Laboratoire de zététique de Nice-Sophia Antipolis : H. Broch http://www.unice.fr/zetetique/articles/HB_suaire_C14.html

date % du carbone total

récente 1800 1500

66 73 89

Autres techniques de datation La chronodendrologie La chronodendrologie repose sur l'étude des cernes de croissance des arbres qui est stoppée à l'abattage. Les conditions climatiques, la nature des sols et la succession des saisons influent sur la pousse des arbres, si bien que l'épaisseur des cernes est une indication d'âge. Ce phénomène est beaucoup plus visible sur les arbres des régions tempérées que sur ceux des régions tropicales. Cette technique mise au point à la fin du XIXe siècle par l'astronome américain Andrew Elicott Douglass, n'est applicable que sur les objets en bois correctement conservés, dont l'âge n'excède pas 3000 ans. La précision de la datation peut atteindre un an dans le meilleur des cas. Le paléo et archéomagnétisme Les matériaux contiennent des particules d'oxyde de fer qui conservent leur aimantation après avoir été chauffés à plus de 700°C. Connaissant les variations du champs magnétique terrestre au cours du temps, l'analyse de la désaimantation renseigne sur l'époque à laquelle l'objet a subit son aimantation. On peut dater les terres cuites des deux derniers millénaires (tuiles, fours, céramiques...) avec une précision pouvant atteindre au mieux quelques années. L'analyse des laves volcaniques des dernières 200 millions d'années permet une estimation de l'époque de formation géologique facilitant la datation de fossiles ou d'empreintes emprisonnées. Pour les objets façonnés, on parle d'archéomagnétisme. Cette technique a été initiée par le physicien français Émile Thellier vers les années 30. Elle est utilisée couramment depuis 1960. La luminescence Certains matériaux emmagasinent une partie de l'énergie des radiations ionisantes comme la radioactivité naturelle lors de leur exposition. L'analyse de cette énergie résiduelle permet de connaître l'époque de l'irradiation. Lorsque la libération de cette énergie est réalisée par chauffage, on parle de thermoluminescence. On peut aussi "décharger" l'échantillon par exposition à la lumière infrarouge. Il est néanmoins nécessaire de connaître la dose annuelle accumulée. Le rapport entre dose contenue et dose annuelle donne le temps écoulé depuis la première irradiation correspondant à une étape de cuisson naturelle ou artificielle. Cette méthode est appliquée aux échantillons ayant subis une cuisson il y a quelques centaines de milliers d'années au plus et contenant des feldspaths, du quartz ou des zircons. L'erreur de datation est comprise entre 2 et 8%. Découverte en 1953 par l'américain Farrington Daniels, le britannique Martin Aitken affinera la technique au cours des années 60.

____________________ Cette page est extraite d'un site concernant les unités de mesure dont l'adresse est : http://www.utc.fr/~tthomass/Themes/Unites

basalte ayant conservé son

magnétisme d'origine

tablette du néolithique