3 commentaires

sample of carbon
En géologie ou en paléontologie, on arrive à déterminer l’âge des fossiles à partir de la « méthode au carbone 14 ».
Cela peut sembler mystérieux et compliqué, mais en réalité c’est une méthode très simple. Sur le principe, c’est un sorte de sablier moléculaire : certains atomes quittent le fossile avec le temps, et il s’agit ici de compter ceux qui restent pour en déduire l’âge.

Le carbone… 14 ?

Dans le cas de la datation au carbone 14, l’atome dont on mesure la quantité présente est le carbone 14 (noté ${}^{14}\text{C}$), un atome de carbone qui possède un excès de deux neutrons par rapport à son homologue (son isotope) habituel, le carbone 12 (noté ${}^{12}\text{C}$).
Le ${}^{14}\text{C}$ reste du carbone et il est utilisé de façon transparente par les êtres vivants et il se retrouve ainsi intégré dans les tissus organiques.

La particularité du ${}^{14}\text{C}$ c’est qu’il se désintègre spontanément : il est radioactif. Ceci est dû à la structure instable du noyau de cet atome, qui ne lui permet pas de rester tel quel (à cause notamment de l’interaction faible qui agit à ces échelles).

Cette désintégration se traduit par une transformation de l’atome de ${}^{14}\text{C}$ en azote 14 (un des neutrons excédentaire du ${}^{14}\text{C}$ devient un proton et libère un électron). La désintégrations des atomes radioactifs comme le ${}^{14}\text{C}$ se fait selon une vitesse bien précise.

La décroissance du carbone 14

Si l’on enferme du carbone dans un bocal, alors la quantité de ${}^{14}\text{C}$ dans le bocal décroît naturellement.

Ceci est également ce qui se produit ici : du ${}^{14}\text{C}$, accumulé par l’organisme durant sa vie, est emprisonné dans le fossile et sa quantité diminue avec le temps. C’est alors en mesurant ce qu’il reste que l’on arrive à déterminer l’âge du fossile.

Dans l’air (celui que les êtres vivants respirent), il existe environ 1 atome de ${}^{14}\text{C}$ pour mille milliards d’atomes de ${}^{12}\text{C}$. C’est relativement peu, mais largement assez pour travailler avec.

La vitesse de désintégration suit la loi très simple suivante : tous les 5 730 ans, il a 50 % du ${}^{14}\text{C}$ restant qui a disparu. La durée de 5 730 ans est appelée la demie-vie du ${}^{14}\text{C}$.
Ainsi :

  • 5 730 ans après la mort d’un être vivant, il reste 50 % de son capital de ${}^{14}\text{C}$ ;
  • après 11 460 ans, il reste 25 % ;
  • après 17 190 ans, il reste 12,5 % de ${}^{14}\text{C}$ :
  • etc.

On traduit ceci par une courbe de décroissance :

courbe de décroissance du carbone 14
↑ courbe de décroissance du ${}^{14}\text{C}$

Connaissant le taux de ${}^{14}\text{C}$ dans un fossile, on détermine alors son âge. Facile, non ?

Les limites de cette méthode de datation

Si vous prenez un sablier et que vous l’oubliez, tout le sable sera tombé : si vous n’avez pas noté l’heure où vous l’aviez retourné, il est impossible de savoir à quelle heure le sable s’est arrêté de tomber. Pour le ${}^{14}\text{C}$, c’est pareil : quand il n’y a plus de ${}^{14}\text{C}$ du tout, ou trop peu pour avoir une mesure fiable, alors on ne peut plus connaître l’âge du fossile.

La datation au carbone 14 est fiable pour les fossiles organiques qui ont jusqu’à 50 000 ans. Au delà il faut utiliser une autre méthode de datation : datation à l’uranium selon le même principe, par exemple, qui a une demie-vie beaucoup plus longue de 700 millions d’années.

Une autre limite du ${}^{14}\text{C}$, c’est qu’il se base sur le fait que, au moment de la mort d’un organisme, le taux de ${}^{14}\text{C}$ qu’il contient correspond à celui dans l’atmosphère. Ce taux atmosphérique a été relativement constant au fil des ères, jusqu’à environ 1950. En effet, c’est à cette période que l’humanité a commence à pratiquer un grand nombre d’essais nucléaires. Ceci a libéré des quantités importantes de ${}^{14}\text{C}$ artificiel et toute mesure par cette méthode de l’âge d’un organisme mort après 1950 serait faussée.

De plus, la datation au ${}^{14}\text{C}$, vous le comprendrez, ne peut fonctionner que pour les fossiles d’être vivants. Pour dater un minéral, ce n’est pas possible (le rocher ne respire pas et ne renouvelle son quota de ${}^{14}\text{C}$ durant son existence). Pour dater une roche, les scientifiques utilisent plutôt la datation à l’uranium, la datation par thermoluminescence ou une méthode utilisant la rémanence du champ magnétique terrestre.

Enfin, on peut remarquer que depuis la formation de la Terre, tout le ${}^{14}\text{C}$ initialement formé devrait avoir disparu, et c’est vrai.
Mais c’est sans compter qu’il se forme constamment du ${}^{14}\text{C}$ dans l’atmosphère, grâce aux rayons cosmiques. L’atmosphère est majoritairement composée d’azote, et quand un rayon cosmique heurte un atome d’azote, l’énergie de la collision peut transformer un des protons de l’azote en un neutron (et une autre particule appelée positron). L’atome devient du carbone, et plus précisément du ${}^{14}\text{C}$. Le flux de rayonnement cosmique permet donc de renouveler le carbone qui se désintègre.

image d’en-tête de Rui Costa

3 commentaires

gravatar
Juju wrote:

Est-il possible que des météorites (ou autre chose) soient venues perturber cette constante terrestre dans le passé ? (au même titre que l'activité humaine depuis 1950)

gravatar
Loukatao wrote:

Salut,
Tu parles du carbone 14 et du carbone 12. Ors quand je regarde dans le tableau de Mendeleïev, je constate que le numéro atomique du carbone est 6. J'ai pu comprendre que le carbone 12 est le plus courant. Pourquoi?

gravatar
Le Hollandais Volant wrote:

@Juju : Ce n’est pas impossible.
Si un astéroïde contenant de l’azote a été soumis à une intense rayonnement cosmique, il pourrait très bien être « chargé » en carbone 14, et modifier un peu la teneur en 14C de l’atmosphère.

Notes cependant que le carbone 14 a une demie-vie de ~6000 ans. Et au bout d’environ 10 × demi-vie (donc 60 000 ans) il ne reste plus rien.

Sur l’échelle géologique, 60 000 ans, ce n’est rien. C’est environ 0,001 % de l’âge de la Terre. Sur l’histoire des fossiles, c’est donc invisible.

Si on doit tenir compte de nos rejets à nous, c’est parce que l’on étudie le carbone 14 que depuis environ 200 ans. Et là, les 60 000 ans du 14C ne sont plus du tout négligeables. Il va falloir à l’humanité attendre environ 60 000 ans avant de pouvoir recommencer à utiliser la datation au 14C. Autant de temps dans le futur, c’est très, très loin. Pour donner une idée : Lascaux (les peintures, tout ça) c’était il y a 15 000 ans environ. Soit seulement un quart de cette durée…

@Loukatao :
En effet.
J’ai hésité à parler de ce point précis, je l’avais même écrit puis effacé. Mais ce n’est pas grave, je vais expliquer ici.

Dans le tableau périodique, les éléments sont classés dans l’ordre quand on les lit par lignes : 1H, 2He, 3Li, 4Be, 5B, 6C, 7N, etc.
Chaque élément a un numéro précis et unique. Le carbone est l’élément numéro 6. On dit que « 6 » est le numéro atomique de l’atome. Si tu as un numéro atomique de 6, alors c’est toujours du carbone. Si tu as 8, c’est l’oxygène. Si tu as 79, c’est l’or, et ainsi de suite.

Le numéro atomique correspond au nombre de protons contenus dans le noyau de l’atome. C’est le nombre de protons qui font que tel atome est de tel ou tel nature (carbone, oxygène, or…)

Il y a normalement aussi un autre numéro dans les tableaux périodiques :
– H : 1
– He : 4
– C : 12
– N : 14
– O : 16

Ces numéros là sont la numéro de masse.
Il correspond au nombre de (protons + neutrons) dans le noyau.

Ainsi, le carbone 12 a :
– 6 protons (car c’est du carbone)
– 12−6 = 6 neutrons.

Le carbone 14 a :
– 6 protons (car c’est du carbone)
– 14−6 = 8 neutrons

Il existe aussi du carbone 13 (beaucoup plus rare encore) :
– 6 protons (toujours, puisque c’est du carbone)
– 13−6 = 7 neutrons

Comme tu vois, tous ces atomes sont du carbone. Ce qui chance, c’est le nombre de neutrons. Les neutrons ne changent pas le type de l’atome (et donc pas non plus la chimie qui en découle). Ils changent en revanche la masse de l’atome. D’où le nom de « nombre de masse » associé à ce numéro.
Les atomes ici, carbone 12, carbone 13 et carbone 14 sont dits « isotopes » de carbone.

Les neutrons permettent au noyau de rester stable. Les protons, comme tu le sais sûrement, sont tous chargés positivement : normalement, il se repoussent (par l’intéraction électromagnétique). Les neutrons sont là pour les garder collés ensembles (grâce à l’interaction forte).

Le truc après, c’est que l’atome a une stabilité optimale pour un nombre précis de neutrons. Ainsi, le carbone 12 (6 neutrons + 6 protons) et plus stable que le carbone 14 (8 neutrons + 6 protons). Cette stabilité là est due à l’organisation est protons et neutrons on sein même du noyau. La structure du noyau est "soumise" à l’interaction faible (la 3e des quatre interactions fondamentales de la nature, la dernière étant l’interaction gravitationnelle, qui n’intervient pas à cette échelle) et c’est elle qui fait que le noyau de carbone 12 est plus stable que celui du carbone 14.

Il n’est pas nécessaire qu’une des configurations soit plus stables que les autres.
Dans le cas de l’atome de chlore, par exemple, le chlore 35 est aussi stable que le chlore 37.
Inversement, certains atomes n’ont aucun isotope stable : le technétium n’existe pas dans la nature car il n’est jamais stable. Il en va de même pour tous les éléments super-lourds (tous ceux qui sont créés dans les accélérateurs de particules : américium, livermorium, nihonium…)

Quelques autres articles :
** Qu’est-ce que l’interaction faible ?
** Isotopes, isotones et isobares
** Qu’est-ce que l’eau lourde ? (où j’explique pourquoi, la différence de neutrons dans le noyau des atomes peut parfois avoir des conséquences visibles !)
** Comment fabrique-t-on les atomes super-lourds ?


Votre commentaire sera visible après validation par le webmaster.