Datation par le radiocarbone : introduction

  • Willard Libby a développé la datation par le radiocarbone comme méthode pour mesurer la radioactivité.
  • Le carbone 14 est un isotope faiblement radioactif du carbone, également connu en tant que “radiocarbone”, il est un chronomètre isotopique.
  • La datation par le radiocarbone est applicable uniquement aux matières organiques et à certains matériaux inorganiques (elle ne s’applique pas aux métaux).
  • Le comptage proportionnel à gaz, le comptage à scintillation liquide et la spectrométrie de masse par accélérateur sont les trois principales méthodes de datation radiocarbone.
  • Les laboratoires de datation utilisent l’acide oxalique I et II comme références actuelles.
  • Les mesures sont reportées avec “l’âge conventionnel radiocarbone”.

L’impact de la technique de datation radiocarbone sur l’homme moderne en fait l’une des découvertes les plus importantes du 20ème siècle. Aucune autre méthode scientifique n’a autant révolutionné la compréhension non seulement du présent, mais aussi des événements qui se sont produits il y a des milliers d’années.

L’archéologie et d’autres sciences humaines utilisent la datation radiocarbone pour confirmer ou infirmer des théories. Au fil des années, elle a trouvé des applications en géologie, hydrologie, géophysique, science atmosphérique, océanographie, paléoclimatologie et en biomédecine.

Pionnier de la datation par le radiocarbone

Le physicien et chimiste américain Willard Libby a dirigé une équipe de scientifiques après la seconde guerre mondiale dans le but de développer une méthode de mesure de l’activité radiologique du carbone 14. Il est reconnu comme étant le premier scientifique à avoir envisagé que l’isotope de carbone instable, appelé radiocarbone ou carbone 14, puisse exister dans la matière vivante.

Libby et son équipe ont publié les premiers résultats de détection du radiocarbone dans un échantillon biologique. Il est également le premier à en avoir mesuré la désintégration, en déduisant un temps de demi-vie de 5568 ans±30 ans.

En 1960, il reçoit le prix Nobel de chimie en reconnaissance de ses efforts dans le développement de la méthode de datation par le radiocarbone.

Principes de base de la datation radiocarbone

Le radiocarbone, ou carbone 14, est un isotope du carbone instable et faiblement radioactif. Les isotopes stables étant les carbones 12 et 13.

Le carbone 14 est continuellement généré dans la haute atmosphère par les collisions entre les rayons cosmiques et l’azote 14. Il est rapidement oxydé dans l’air pour former du dioxyde de carbone et entre de fait dans le cycle global du carbone.

Il est assimilé par les plantes et les animaux de leur vivant. À leur mort, les échanges de carbone cessent avec la biosphère, et le contenu en isotope carbone 14 décroit à un taux fixé par les lois de désintégration radioactive.

La datation par le radiocarbone a pour but de mesurer la radioactivité résiduelle. Sachant combien de radiocarbone il reste dans un échantillon, il est possible de remonter à l’âge de la mort de l’organisme. Par contre, il n’est pas possible de savoir quand un matériel extrait de cet organisme a pu être utilisé.

Matériaux se prêtant à la datation

Tous les matériaux ne se prêtent pas à la datation radiocarbone. La majorité des composés organiques, voire la totalité d’entre eux, peuvent faire l’objet de datation. Certains matériaux inorganiques, comme la base d’aragonite des coquilles, sont éligibles tant que la formation se fait en assimilant du carbone 14 de l’atmosphère.

Les échantillons datables incluent entre autres charbons, bois, brindilles, graines, os, coquillages, cuir, tourbe, boue, sol, cheveux, poterie, pollen, peintures murales, coraux, résidus de sang, tissus, papier ou parchemin, résines et eau.

Les prétraitements physiques et chimiques réalisés en première étape permettent d’éliminer les éventuels contaminants, afin d’éliminer leur impact sur la procédure d’analyse du radiocarbone.

Méthodes principales de mesure du radiocarbone

Beta AMS Lab

Il existe trois techniques principales pour mesurer le carbone 14 d’un échantillon : le comptage proportionnel à gaz, le comptage à scintillation liquide et la spectrométrie de masse à accélérateur.

Le comptage proportionnel à gaz est une technique conventionnelle qui compte les particules bêta émises par l’échantillon, qui sont produites lors des réactions de désintégration du carbone. L’objet à étudier est converti en dioxyde de carbone avant la mesure.

Le compteur à scintillation liquide fut très populaire dans les années 1960. On ajoute un scintillateur à l’échantillon qui est sous forme liquide. Il sert à signaler les particules bêta qui le traversent en émettant un flash. Deux photomultiplicateurs utilisés en coïncidence mesurent les photons.

La spectrométrie de masse à accélérateur (AMS) est une méthode plus récente, et est considérée comme la plus efficace pour la mesure du radiocarbone. La fraction du carbone 14 est directement mesurée par rapport aux atomes de carbone 12 et 13. Le procédé compte directement les atomes de carbone et la proportion des différents isotopes, et non les particules bêta associées.

Références standards pour la datation

L’âge radiocarbone d’un échantillon d’âge inconnu peut être déterminé grâce à son contenu en carbone 14, en comparant le résultat de l’activité à des échantillons de références et des échantillons modernes.

La principale référence moderne utilisée par les laboratoires était l’acide oxalique I du “National Institute of Standards and Technology” du Maryland, qui provenait de betteraves en 1955. Près de 95% de l’activité de l’acide oxalique I est égale à l’activité de la référence radiocarbone absolue : du bois de 1890 non affecté par les effets de combustibles fossiles.

Lorsque les stocks d’acide oxalique ont été presque entièrement consommés, une autre référence a été définie à partir d’une récolte de mélasses de betterave en 1977 : l’acide oxalique II, qui ne diffère en contenu radiocarbone que légèrement de l’acide oxalique I. D’autres références secondaires ont depuis été élaborées.

Les activités de bruit de fond des autres matériaux sont déterminées lors de l’analyse de l’échantillon et leur contributions sont soustraites du résultat de l’analyse. Ces fonds sont généralement d’origine géologique d’âge infini, comme le charbon, le lignite et le calcaire.

Mesures de datation par le radiocarbone

Une mesure radiocarbone est exprimée en âge radiocarbone conventionnel (ARC), qui utilise (a) le temps de demi-vie de Libby, (b) l’acide oxalique I ou II, ou une autre référence secondaire comme la référence carbone moderne, (c) la correction pour le fractionnement isotopique à une valeur normalisée à -25 pour mille du ratio de carbone 12/carbone 13 dans la référence de carbone VPDB (fossile de belemnite du crétacé du site de Pee Dee en Caroline du Sud). (d) le zéro BP (avant le présent) et défini en 1950, (e) l’hypothèse que les niveaux globaux de radiocarbone sont constants.

Les erreurs-types sont relevées dans le résultat de datation avec les symboles ±. Elles sont obtenues grâce à des méthodes statistiques.