Simone Bonazzi, Kevin Hänni, Adrien Lawrence DATATION AU CARBONE 14 Analyse Instrumentale I 26 janvier 2004 Simone Bonazzi, Kevin Hänni, Adrien Lawrence

INTRODUCTION

Un peu d’histoire En 1902, Rutherford et Soddy observent que la décroissance radioactive est un processus statistique. En 1906, 1ère supposition qu’en mesurant la quantité de matériel radioactive dans un échantillon on peut remonter à son âge. En 1911, V.F. Hess découvre la radiation cosmique et on commence à étudier les effets permanents que cette radiation peut avoir sur l’atmosphère terrestre et sur la surface. En 1934, découverte du carbone 14 par F.N.F Kurie lorsqu'il expose de l'azote à un flux de neutrons. En 1949, Libby publie les premières découvertes sur le radiocarbone.

Frank Willard Libby (1908 – 1980) Lauréat du Prix Nobel de Chimie en 1960 pour ses travaux sur le radiocarbone.

Le carbone 14 en quelques mots Trois isotopes du carbone : Le carbone 12 à 98,89 %. Le carbone 13 à 1,108 % utilisé en RMN grâce à son spin de ½. Le carbone 14 à 1,2 · 10-12 % isotope radioactif. Le carbone 14 se décompose en un atome stable d'azote 14 en émettant et un électron et un antineutrino : Définition: Les isotopes ont le même nombre d’électrons et de protons, mais la masse atomique varie dû à la variation du nombre de neutrons. 14C  14N + e- + 

Le carbone 14 en quelques mots (2) Période de demi-vie théorique de 5730 ± 40 ans (Godwin, 1962). Conventions internationales : 5568 ± 30 ans (Libby, 1951). La valeur de désintégration utilisée en laboratoire est de 13,56 ± 0,07 désintégrations par minute et par gramme de carbone. Définition: Le temps de demi-vie est le temps nécessaire à la diminution de 50% de la masse de la substance radioactive.

La formation du carbone 14 Les rayons cosmiques bombardent la Terre (contiennent des protons rapides). Les noyaux des atomes présents dans la haute atmosphère explosent littéralement sous le choc de ces protons très énergétiques. Formation de fragments dont des neutrons rapides. Ces neutrons peuvent réagir avec N2 de la haute atmosphère (c.f. cours de cinétique, collisions réactives) Formation d’atomes de 14C. A 14C 14N p n Remarque : Comme le rayonnement cosmique bombarde la terre depuis longtemps, un équilibre s'est établit entre la formation et la décomposition du carbone 14.

PRINCIPE

Le carbone 14 dans les organismes vivants Le 14C s’oxyde en dioxyde de carbone se mélangeant au CO2 de l’atmosphère et des océans. Le 14CO2 ainsi formé est métabolisé par les plantes (photosynthèse), puis à travers elles, par tous les organismes vivants. Remarque : Tous les organismes vivants contiennent les trois isotopes du carbone dans les mêmes proportions que celles du CO2 atmosphérique.

Le cycle du carbone

Le carbone 14 dans les organismes vivants (2) Pour chaque organisme le taux de 14C reste constant tout au long de sa vie (échanges métaboliques). Dès sa mort, il n'y a plus de renouvellement de 14C, c’est alors que son taux commence à décroître (radioactive decay) alors que les taux de 12C et 13C restent identiques. Il suffit de Comparer A0 et At pour la détermination de l’âge.

At = A0 · exp(-kt) ; avec k = Ln2/t½ Un peu de maths L'âge est calculé à partir de la formule de décroissance exponentielle radioactive : At = A0 · exp(-kt) ; avec k = Ln2/t½ Ou directement par la formule suivante : t = (Ln A0 – Ln At) · 8033 ans Remarque : L’âge limite que l’on peut atteindre avec la datation au carbone 14 est d’environ 45000 ans !

Variation de la teneur en 14C au cours du temps La datation repose sur l'hypothèse que la teneur en 14C reste constante. En réalité la teneur en 14C de la planète à évolué au cours du temps, deux phénomènes récents ont influencé cette concentration : Les révolutions industrielles : la combution massive de carbone fossile (charbon, petrole) à fait diminuer de 4% la teneur en 14C. De nombreux essais nucléaires (depuis 1955) on fait doubler la teneur en 14C de l’atmosphère terrestre)

Mesure de l’activité At Mesurer la radioactivité du carbone 14, c'est compter (généralement 2 à 3 jours) le nombre d'atomes qui se désintégrant pour une masse donnée de benzène (3.52 g) : Le rayonnement bêta (Ecin = 0 - 156 keV) du 14C excite les molécules de benzène qui exciteront à leur tour les molécules d'un scintillateur organique. Le scintillateur revient à son état fondamental en émettant un photon d'une longueur d'onde donnée. Ce photon sera capté par un photomultiplicateur et transformé en signaux électriques pour former un spectre 14C. Remarque : L'impulsion électrique détectée sur l'anode finale a une amplitude proportionnelle au nombre de photons émis.

Mesure de l’activité At (2) h 14N 14C e- Remarque : L’utilisation d’un mélange de deux substances scintillantes (primaire et secondaire) permet une détection en bas bruit de fond.

Détection des photons La solution est mise dans un flacon en verre appauvri en 40K Flacons de comptage 20ml de Packard InstrumentTM Source : Centre de détection par radiocarbone, Lyon

Détection des photons (2) On place le flacon dans la chambre de comptage d'un compteur à scintillation liquide : Compteurs à scintillation liquide de Packard InstrumentTM Source : Centre de détection par radiocarbone, Lyon

Détection des photons (3) Source : Centre de détection par radiocarbone, Lyon

Détection des photons (4) Les photons émis sont attirés et absorbés à l'intérieur de deux photomultiplicateurs diamétralement opposés (différence de potentiel : photocathodes) Au passage des photons, il y a formation de photoélectrons chargés négativement qui créent un courant électrique que l’on amplifie. L'impulsion électrique détectée a une amplitude proportionnelle au nombre de photons émis : Exemple d’un spectre 14C simplifié

Limites de détection Principales limites de détection de cette méthode : La mesure du nombre de coups de l'échantillon : Limite de l'appareillage La mesure du standard (en admettant la concentration en 14C constante au cours du temps) Erreur sur la solution de benzène (masse des échantillons, volume du solvant, impuretés) Bruit de fond : Impossibilité de distinguer le taux de comptage de l'échantillon de celui du bruit de fond du compteur (p.ex. pour les échantillons très âgés)

APPLICATIONS

Applications en archéologie La datation par le carbone 14 est très utilisée en archéologie pour dater des composés organiques ; avant l'introduction de cette méthode, la datation était incertaine et les erreurs étaient considérables. La vie sur Terre a donc pu être reconstituée grâce aux roches et aux fossiles, datés par leur contenu en isotopes radioactifs : Matériau Teneur en 14C Calcaire (roche) 0% Carbonate (coquille) 45% Cellulose (plantes) 130% Bois très vieux Bois moins vieux 25% Un Sucre 150% Pourcentage actuel de 14C (par 100% de 14C) dans divers échantillons

Applications en archéologie (2) La radioactivité indique aussi les conditions de vie dans le passé : température concentration des gaz dans l'atmosphère et les océans. Par exemple on a constaté que l’Homme de Cro-magnon avait une atmosphère 30 à 40% plus riche en 14C que nous ! Le travail innovant de Franck Willard Libby dans les années 40 donne une grande importance à l'application de techniques scientifiques en archéologie !

Exemples de datation : Grotte Chauvet, FR Les peintures animales représentant deux rhinocéros, un bison et des chevaux datés de 30340 BP ± 570 à 32410 BP ± 720 : BP signifie Before Present

Exemples de datation : Grotte Chauvet, FR (2) L'un des dessins représentant un rhinocéros est la plus belle illustration du site, datée au départ d'environ 31000 ans BP, elle est à présent daté d'environ 36000 ans BP.

Exemples de datation : Grotte Chauvet, FR (3) Photographie d'un foyer aménagé, avec des dépôts de charbon du site de la grotte Chauvet. On mesure l'activité due au carbone 14 des résidus de charbon, afin de déterminer l'âge de ces fragments, qui selon les historiens ont été laissé à la suite d'un rituel effectué avant la scéance de peintures des hommes préhistoriques.

RÉFÉRENCES

Sources Contemporary Authors. Biographical Encyclopedia of Scientists. Second Edition (1994) Centre de datation par radiocarbone : http://carbon14.univ-lyon1.fr/ Prix Nobel : http://www.nobel.se/chemistry/laureates/1960/index.html/ Discourt de Libby : http://www.britannica.com/nobel/micro/348_3.html/ Radiocarbon, Isotope research Journal : http://packrat.aml.arizona.edu/ Métrodiff : http://www.metrodiff.org/activit/pst/c_14.htm/ Discovery of Global Warming : http://www.aip.org/history/climate/ Webelements : http://www.webelements.com/ La classe de science : http://www.ping.be/at_home/tab-per/tab-per.htm/ http://www.umh.ac.be/~ichim/docs/studs03-04/MVachaudez/FL1.htm/ http://radiocarbone.fr.st/