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Datation au carbone-14



La teneur en carbone-14 témoigne de l'âge d'un vestige ancien

La plus connue des techniques de datation est la datation au carbone-14. Le carbone-14 est un isotope radioactif du carbone présent en infime quantité dans l'atmosphère. Les végétaux et les animaux assimilent en permanence du gaz carbonique formé à partir de cet isotope de la même façon qu'ils absorbent le gaz carbonique formé à partir du carbone ordinaire ou carbone-12.

Le carbone-14 est constamment renouvelé. Il a pour origine des particules cosmiques provenant principalement du soleil. Ces particules quand elles pénètrent dans la haute atmosphère brisent les noyaux qu'elles rencontrent. Dans la collision, des neutrons sont libérés. Ces neutrons rencontrent à leur tour un noyau d'azote de l'air. Ils s'introduisent dans ce noyau, provoquant l'expulsion d'un proton et une transmutation en carbone-14.


Formation du carbone 14 à partir de l'azote de l'air
IN2P3

Il est naturel de supposer que le bombardement cosmique responsable de cette formation est constant à l'échelle de quelques milliers d'années. Ce bombardement dépend principalement de deux facteurs qui varient très lentement, l'activité solaire et le champ magnétique terrestre. Le champ magnétique terrestre sert de bouclier contre le rayonnement cosmique. Quand sa valeur diminue, le bombardement cosmique augmente et avec lui la formation de carbone-14.

Tout être vivant assimile du gaz carbonique, dont une petite fraction contenant du carbone-14. Cette assimilation cesse à la mort de l'organisme. Le stock de carbone-14 est figé. Quand bien plus tard, un archéologue en examine les vestiges (cendres de foyer, os, restes de végétaux) le nombre de noyaux de carbone-14 a décru selon une loi exponentielle de période 5700 ans. L'archéologue date le fossile en comparant la fraction de noyaux de carbone 14 subsistant à la fraction existante au moment où l'échantillon s'est « fermé » aux échanges avec l'extérieur.

L'hypothèse la plus simple est que la teneur de radioélément au moment de la « fermeture » est la même que celle mesurée sur un échantillon de carbone prélevé sur une plante actuelle. La comparaison des activités en carbone-14 du fossile et du composé végétal actuel donne l'âge. Le calcul suppose que le taux de formation du carbone-14 atmosphérique n'a pas varié par rapport au moment où le fossile vivait. Ceci n'est pas tout à fait vrai et il est nécessaire de recaler dans le temps et d'effectuer des corrections.

ARTEMIS : une installation pour compter les atomes de carbone-14
Quand les vestiges à dater sont très anciens, les noyaux de carbone-14 sont devenus si rares que l'observation de leurs désintégrations devient impraticable. Il faut compter les atomes de carbone-14 eux mêmes. On utilise dans ce dessein une installation lourde : un spectrographe de masse associé à un petit accélérateur. Des échantillons de quelques milligrammes du carbone à dater y sont introduits ce qui permet de mesurer les abondances isotopiques du carbone ordinaire et de son isotope radioactif. La photographie montre l'installation ARTEMIS du CEA à Saclay.
ARTEMIS/CEA

La mesure de la teneur en Carbone-14 requiert le prélèvement d'un échantillon suffisant du fossile. Elle est délicate. Il existe mille milliards de fois moins (10 puissance -12) d'atomes de carbone-14 radioactifs que de carbone-12. La radioactivité d'un gramme de carbone frais se compte en coups par minute. Pour des échantillons anciens, elle devient très faible.

Depuis peu se sont développées des techniques très sensibles qui consistent à compter les atomes de carbone-14 au lieu de compter leurs rares désintégrations. Grâce à un « spectrographe de masse » couplé à un accélérateur de particules, on arrive ainsi à mesurer des teneurs en carbone-14 aussi minimes qu'un millionième de milliardième (10 puissance -15) et remonter à 50000 ans.

Cette technique a d'abord été mise en œuvre en France au centre des faibles radioactivités de Gif-sur-Yvette en France avec un instrument appelé Tandetron. Il a été remplacé depuis 2004, par Artemis, un spectromètre de masse capable de dater chaque année 4 500 échantillons de moins d'un milligramme.

SUITE : Étalonnage datation C14