Datation par le carbone 14
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2008-07-18T23:44:49Z
CarsracBot
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robot Modifie: [[he:תיארוך פחמן-14]]
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|activité radiologique]] du [[carbone 14]] ({{exp|14}}C) contenu dans de la [[matière organique]] dont on souhaite connaître l'[[datation absolue|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<ref>Pour certains auteurs, les résultats obtenus ne sont pas fiables au-delà de 35 000 ans BP.</ref>. L'application de cette méthode à des évènements anciens, tout particulièrement lorsque leur âge dépasse 6000 ans ([[préhistoire|préhistoriques]]), a permis de les dater beaucoup plus précisément qu'auparavant. Elle a ainsi apporté un progrès significatif en [[archéologie]] et en [[paléoanthropologie]].
== 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).
== Principe de la datation ==
Le carbone 14 ou radiocarbone est un [[isotope]] [[radioactivité|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 ({{exp|14}}C) présent dans l'organisme par rapport au carbone total (<sup>12</sup>C, <sup>13</sup>C et <sup>14</sup>C) 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<sup>-12</sup> pour le rapport <sup>14</sup>C/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 <sup>14</sup>C/C total avec un [[spectromètre de masse]], soit son activité X années après la mort de l'organisme.
== Origine du radiocarbone naturel ==
Le radiocarbone naturel circule dans trois réservoirs : l'[[Atmosphère de la Terre|atmosphère]], les [[océan]]s 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 [[rayon cosmique|rayonnement cosmique]] produisent un flux de [[neutron]]s libres. Après avoir été ralentis par collision avec les [[molécule]]s de l'air, les neutrons dans une certaine gamme d'énergie (cinétique) réagissent avec l'[[azote]] pour former du radiocarbone, selon l'équation bilan :
:<math>\mathrm{n} + ^{14}\!\mathrm{N} \rightarrow ^{14}\!\mathrm{C} + ^{1}\!\mathrm{H}</math>
Cette réaction est privilégiée du fait que l’[[azote]] constitue 78,11 % de l’[[Atmosphère (Terre)|atmosphère]] de la Terre. {{référence nécessaire|C’est entre 7000 mètres et {{unité|12000|mètres}} que la production de radiocarbone a principalement lieu.}}
L'atome de radiocarbone ainsi produit réagit rapidement avec l'[[oxygène]] pour former du [[dioxyde de carbone]].<br>
Ce [[gaz]] circule dans toute l'[[Atmosphère de la Terre|atmosphère]] et se dissout dans les océans pour former des [[carbonate]]s. 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 <sup>14</sup>C/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 <sup>14</sup>C/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.
== Mesure de l’âge d’un échantillon de matière organique ==
La [[radioactivité|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 <sup>14</sup>C/C total (ce qui reste de radiocarbone naturel suite à la désintégration) et à en déduire son âge. Le rapport <sup>14</sup>C/C total est mesuré soit indirectement par la mesure de l'[[radioactivité|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 <sup>14</sup>C/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 <sup>14</sup>C/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 [[ion]]s qui sont accélérés par la [[Tension électrique|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 <sup>14</sup>C/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 <math>{C}_{t}</math> de radiocarbone (c’est-à-dire le rapport <sup>14</sup>C/C total) d'un échantillon à l'instant <math>t</math> de mesure ; l'âge de l'échantillon est alors donné par la formule :
:<math>{t}-{{t}_0}=\frac{1}{\lambda}\times\ln\frac{{C}_0}{{C}_{t}}</math>
où <math>{C}_0</math> est la concentration de radiocarbone de l'échantillon à l'instant <math>{t}_0</math> de la mort de l'organisme d'où provient l'échantillon (<math>{C}_0\approx10^{-12}\ </math>) et <math>\lambda</math> la constante radioactive du carbone 14 (<math>\lambda=\frac{\ln2}{t_{\frac{1}{2}}}\approx1,210\cdot10^{-4}\ \mathrm{ans}^{-1}</math>).
=== 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 !
===Courbes d'étalonnage===
[[Image:Radiocarbon dating calibration.svg|thumb|right|300px]]
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 [[années 1960|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 <sup>14</sup>C/C ne dépend que de leur âge, et du taux <sup>14</sup>C/C à la date de leur arrêt d'activité biologique.
En conclusion, le rapport <sup>14</sup>C/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]].
=== Autres corrections ===
Les véhicules équipés de moteurs à combustion interne utilisent des produits pétroliers qui ne contiennent que des isotopes stables du carbone, <sup>12</sup>C et <sup>13</sup>C ; la totalité du <sup>14</sup>C ayant disparu au cours de la longue durée d'enfouissement des combustibles fossiles.
Ainsi, la datation par le <sup>14</sup>C 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.
== Limites de la datation par le carbone 14 ==
La datation par le carbone 14 est une méthode très utilisée par les archéologues, mais son utilisation présente quelques limites :
* l'élément que l'on veut dater doit avoir incorporé du carbone dans des proportions équivalentes à celles de l'atmosphère ; elle ne s'applique donc qu'aux matériaux organiques et pas du tout aux produits minéraux ;
* la méthode s'appuie sur le principe d'[[actualisme]] et suppose que le rapport {{exp|14}}C/C est resté constant depuis la mort de l'élément à dater jusqu'à aujourd'hui ; ce n'est pas tout à fait le cas et des corrections sont donc nécessaires (cf. [[Datation par le carbone 14#Courbes d'étalonnage|ci-dessus]]) ;
* la fermeture du système de l'élément à dater est aussi indispensable ; s'il incorpore de nouveaux atomes de carbone après sa mort, le rapport {{exp|14}}C/C est bouleversé et le résultat ne sera pas fiable ;
* la quantité de carbone radioactif diminue de moitié tous les 5 730 ans, qui est la valeur de la [[Période radioactive|période]] de cet élément ; on ne peut donc dater que des éléments datant de moins de 50 000 ans au maximum (soit environ huit périodes) et les résultats sont relativement approximatifs au-delà de 35 000 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.
== Voir aussi ==
===Notes===
<references />
===Liens internes===
* [[Carbone 14]]
* [[Datation]]
* [[Datation radioactive]]
* [[Dendrochronologie]]
* Exemples de datations au carbone 14
** [[Grotte Chauvet]] ;
** [[Homme de Piltdown]] ;
** [[Suaire de Turin|Linceul de Turin]].
=== Liens externes ===
* {{fr}} [http://carbon14.univ-lyon1.fr/intro.htm Centre de datation par le carbone 14 (informations complètes sur la méthode)]
* {{fr}} [http://www.univ-lille1.fr/geosciences/cours/geochrono/geochrono.htm Cours de géochronologie]
* {{fr}} [http://www.ggl.ulaval.ca/personnel/bourque/s4/datations.radiometriques.html Datations radiométriques]
* {{en}} [http://www.calpal-online.de Online Radiocarbon Calibration]
* {{fr}} [http://www.archeologia.be/dossiers_articles_ciram_datation-carbone14.html L'archéologie et la datation par le Carbone 14]
* {{fr}} [http://www.laradioactivite.com/pages/00_phenomene/02_carbone.htm La radioactivité]
{{Portail|Archéologia|physique}}
[[Catégorie:Méthode liée à l'archéologie]]
[[Catégorie:Histoire de la chimie]]
[[Catégorie:Datation radiométrique]]
[[Catégorie:Carbone]]
{{lien BA|de}}
[[ca:Datació basada en el carboni 14]]
[[cs:Radiokarbonová metoda datování]]
[[da:Kulstof 14-datering]]
[[de:Radiokohlenstoffdatierung]]
[[el:Ραδιοχρονολόγηση]]
[[en:Radiocarbon dating]]
[[eo:Karbono 14]]
[[es:Datación por radiocarbono]]
[[et:Radiosüsiniku meetod]]
[[fi:Radiohiiliajoitus]]
[[he:תיארוך פחמן-14]]
[[hu:Radiokarbon kormeghatározás]]
[[id:Penanggalan radiokarbon]]
[[is:C-14 aldursgreining]]
[[it:Metodo del carbonio-14]]
[[ja:放射性炭素年代測定]]
[[ko:방사성 탄소 연대 측정법]]
[[ml:കാര്ബണ് പഴക്കനിര്ണ്ണയം]]
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[[pl:Datowanie radiowęglowe]]
[[ru:Радиоуглеродный анализ]]
[[simple:Radiocarbon dating]]
[[sk:Uhlíková metóda C14]]
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[[uk:Радіовуглецеве датування]]
[[zh:放射性碳定年法]]