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Datation au
Carbone 14
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I- Le carbone
Généralités sur les atomes
Le carbone est un élément chimique. Son nom vient du grec « carbonis » et du latin « carbon », le charbon. Son numéro atomique est le 6, donc son noyau contient 6 protons. Il dispose aussi de 6 électrons.
On note un atome :
X est le symbole de l'élément chimique.
A est le nombre de protons plus de neutrons, donc le nombre de nucléons.
Z est le nombre de protons.
Les isotopes du carbone
Isotope vient du grec «iso» même, et «topos», le lieu. Des isotopes sont des atomes dont le noyau contient autant de protons mais un nombre de neutrons différent.
Il existe plusieurs isotopes du carbone. Les isotopes naturels du carbone sont le carbone 12 présent à 98,9%, le carbone 13 présent à 1,1% et le carbone 14 présent à 0,01%. Le 12C et 13C sont stables. Le 14C, lui, n'est pas stable, il est radioactif.
Les principaux isotopes du carbone le carbone 12, le carbone 13 et le carbone 14
La formation du carbone
Schéma du bombardement cosmique des astres sur le diazote et le dioxygène
Les rayons cosmiques venant des astres présents autour de la haute atmosphère bombardent les atomes d'azote présents à 78,11 % dans la haute atmosphère. Les rayons cosmiques ont pour effet de libérer un flux de neutrons.
Certains atomes d'azotes réagissent avec un proton libéré par le bombardement cosmique pour former un atome de carbone 14 et un atome d'hydrogène 1.
Voici l'équation de la réaction :
Le cycle du carbone 14
Le cycle du carbone correspond à l'ensemble des échanges d'éléments carbone (minéral et organique) sur la planète.
Schéma des échanges entre l'atmosphère et la biosphère
1) La photosynthèse est un mécanisme qui permet aux végétaux chlorophylliens de produire de la matière organique grâce à l'énergie lumineuse captée par la chlorophylle. La matière organique est principalement constituée d'eau et de carbone. L'équation de la photosynthèse dans l'air est : + matière organique. C'est grâce à ce processus que la majorité du carbone entre dans le monde vivant.
2) La respiration est un mécanisme qui consomme de l'O2 et rejette du CO2. Tous les êtres vivants ont ce processus en commun. Il n'est pas le seul mécanisme qui rejette du CO2, par exemple, la combustion rejette aussi du CO2.
3) Les décomposeurs (champignons, bactéries…) détruisent la matière organique. Le carbone retourne dans l'atmosphère sous forme de CO2 par la respiration de ces décomposeurs.
4) Certains décomposeurs ont aussi des réactions de fermentation :
La fermentation est une réaction qui convertit de l'énergie chimique dans une source de carbone en une autre forme d'énergie utilisable dans un milieu sans dioxygène (anaérobie).
5) Le carbone organique est le carbone produit par les êtres vivants. Il est lié à d'autres atomes comme l'hydrogène, l'azote ou le phosphore dans les molécules organiques. Ces molécules organiques contiennent du carbone et au moins une autre espèce chimique, comme les hydrocarbures (molécules qui contiennent uniquement du carbone et de l'hydrogène). Le carbone inorganique est, au contraire, du carbone associé à des composants qui ne sont pas vivants. Les molécules de carbone inorganique n'ont pas non plus de liaison C – C ou C – H comme le dioxyde de carbone (CO2) ou le calcaire (CaCO3) présent dans certains minéraux.
6) Le carbone se retrouve aussi dans les sols. Le carbone arrive dans le sol par les racines des végétaux, par les feuilles mortes qui tombent, par les excréments des êtres vivants ou encore par les cadavres. Tout ceci est ensuite digéré par des micro-organismes et des décomposeurs.
7) De la matière organique morte s'enfouit dans le sol jusqu'à atteindre les roches sédimentaires. Ce processus est très lent (plusieurs millions d'années). C'est le processus à l'origine de la formation des hydrocarbures : charbon, pétrole, gaz...
Schéma des échanges entre l'atmosphère et les océans
1) et 2) Les océans et l'atmosphère sont des fluides (ce sont des milieux parfaitement déformables). Il y a des échanges permanents entre ces deux milieux, ce qui explique que la concentration en CO2 dans ces deux milieux est toujours la même. Lorsque la concentration en CO2 dans l'atmosphère augmente, du CO2 passe dans l'océan (phénomène appelé dissolution du CO2) pour rééquilibrer les deux milieux. De la même manière, si la concentration en CO2 augmente dans les océans, le CO2 passe dans l'atmosphère (phénomène appelé dégazage de CO2).
3) Comme dans la biosphère, il existe dans les océans des plantes chlorophylliennes qui subissent aussi le phénomène de la photosynthèse. L'équation de la photosynthèse dans l'eau est : + matière organique. La photosynthèse est aussi la voie d'entrée principale pour le carbone dans le monde du vivant.
4) Tout comme dans la biosphère, les matière mortes présentes dans les océans sont digérées par des micro-organismes qui libèrent du CO2 en respirant.
5) Seul 10 % de la matière morte atteint le fond des océans. Cette matière, contient du carbone car elle a été vivante. Après plusieurs millions d'années, on retrouve le carbone stocké dans les sédiments marins.
Il y a des échanges permanents entre les êtres vivants et l'atmosphère, mais aussi entre les êtres vivants et les océans. Les êtres vivants ne sont pas les seuls à subir ces échanges, tous les corps organiques sont soumis à ces échanges et donc contiennent le même taux de carbone que l'atmosphère et les océans. Le taux de carbone 14 dans les êtres vivants et dans ces corps organiques est donc le même que celui contenu dans l'air. En revanche, à la mort, tous les échanges avec l'extérieur s'arrêtent.
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