Travaux Personnels
Encadrés
Datation au
Carbone 14
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III- La datation au carbone 14
Les deux types de méthodes de datation et leurs applications
On dénombre deux grands types de méthodes de datation : les méthodes de datation relative qui consistent à dater des objets les uns par rapport aux autres et les datations absolues qui consistent à donner une date à l'objet. La datation au carbone 14 est une datation absolue.
Cette méthode est utilisée dans différents domaines : l'archéologie, avec par exemple le bois retrouvé dans les grottes de Lascaux. Elle est aussi utilisée pour l'art (datation de tableaux), pour l'histoire (datation du suaire de Turin) ou encore pour l’anthropologie (avec l'étude de l'évolution de l'homme).
La datation par AMS (spectrométrie par accélération de masse)
La datation par AMS consiste à détecter des atomes spécifiques grâce à leur masse atomique, celle-ci étant bien précise. Cependant, cette technique n'est pas assez précise pour différencier deux atomes isobares, c'est-à -dire qui ont le même nombre de nucléons mais un nombre de protons différent (comme entre le carbone 14 et l'azote 14).
Mais grâce à la physique nucléaire, les détecteurs sont devenus plus précis et permettent un risque d'erreur (qui pourraient être causées par d'autres isotopes abondants) moindre.
Première partie :
Tout d'abord les ions sont accélérés dans un accélérateur de particules jusqu'à une haute vitesse cinétique (c'est-à -dire que les ions se déplacent à une haute vitesse). Les deux systèmes d'accélération fréquemment utilisés sont le cyclotron (dans cet accélérateur, les particules suivent une trajectoire semblable à celle d'une spirale) ou l'accélérateur électrostatique Tandem (cet accélérateur utilise une grande tension d'environ 14,8 millions de volts pour exciter les ions négatifs).
Deuxième partie :
Elle consiste à l'analyse de la masse des particules dans un accélérateur Tandem (instrument utlisant des champs électriques ou magnétiques dans le but d'amener les particules chargées électriquement à des vitesses élevées leur procurant ainsi de l'énergie) :
Les échantillons sont transformés en dioxyde de carbone puis en graphite grâce à un catalyseur métallique (qui permet de synthétiser des molécules). Lors de cette de combustion est introduit notamment de l'azote 14. Ce procédé permet l'entrée des échantillons dans le spectromètre. Le graphite obtenu est ensuite bombardé par des ions de césium. Cela produit du carbone ionisé négativement qui passe ensuite à travers les dispositifs de focalisation. Par la suite, il traverse un aimant d'injection.
Les autres ions négatifs sont instables et ne peuvent atteindre le détecteur. Les atomes de carbone sont les seuls à atteindre l'éplucheur (gaz ou feuille de métal), où ils perdent des électrons et apparaissent avec une charge positive triple. Les autres particules, ne pouvant avoir cette charge, sont éliminées dans le processus.
Les carbones triplement chargés positivement sont de nouveau accélérés loin de la borne positive et passent à travers une série de dispositifs de focalisation (opération dans laquelle on concentre les rayons sur l'objet), où l'analyse de masse a lieu.
Un champ magnétique est appliqué aux particules chargées en mouvement qui va dévier beaucoup plus les particules légères, et moins les plus lourdes. Les différents isotopes de carbone arrivent avec la même vitesse et la même charge, mais avec des masses différentes. Des détecteurs sont placés à différents angles pour compter les atomes.
À la fin d'une série de tests AMS, les résultats permettent de connaître la quantité de carbone 14 dans l'échantillon, ainsi que des carbones 12 et 13. À partir de ces données, il est possible de déterminer le ratio de concentration des isotopes. L'organisme de datation donne ensuite les résultats sous forme d'un âge et d'une incertitude.
L'accélérateur de particules : ARTEMIS
Il existe un seul accélérateur de particules en France, il s'appelle ARTEMIS et se trouve à Saclay, près de Paris. Pour pouvoir faire une datation avec ARTEMIS, il faut répondre à un appel d'offre. Cet appel d'offre a lieu tous les ans. Il faut donc présenter un projet qui sera approuvé ou non par une commission. Si le dossier est accepté, la datation prend 6 mois et coûte 90€ par échantillon. Il existe d'autres accélérateurs de particules en Europe, comme en Pologne. Les datations ne prennent là -bas que 6 semaines mais coûtent, en revanche, 350€.
Conditions de la datation au carbone 14
Plusieurs conditions sont nécessaires à la réalisation d'une datation au carbone 14.
Tout d'abord, cette méthode ne s'applique évidemment qu'aux matières contenant du carbone, et donc du carbone 14 (dans les mêmes proportions que dans l'atmosphère à la mort de ces matières ou à la formation). Un échantillon de matière organique peut donc être daté en mesurant le rapport C14/C total.
Ensuite, la masse de l'échantillon à dater est importante. En effet, la masse de l'échantillon influe beaucoup sur la datation. La mesure est d’autant plus précise que la taille de l’échantillon est assez grande pour éviter toute erreur d’évaluation de l'âge. Le site d'ARTEMIS donne des indications pour la masse des échantillons à envoyer pour faire une datation.
Masse minimum de l'échantillon pour une datation avec Artémis selon la nature de l'échantillon :
La calibration
Depuis 1950 et les premiers essais nucléaires, la répartition des isotopes dans l'atmosphère a évolué. Il y a eu une diffusion massive de carbone 14 dans l'atmosphère ce qui fausse les résultats lorsque l'on cherche à déterminer un âge en fonction du taux de carbone. C'est pourquoi, les résultats d'une datation au carbone 14 sont donnés en années BP, « before present », le présent étant l'année 1950.
La datation au carbone 14 par AMS ne prend pas en compte ces fluctuations. Pour avoir un âge se rapprochant au plus près de l'âge réel de l'échantillon, il faut calibrer le résultat. Les scientifiques qui ont étudié ces fluctuations ont établi une courbe d'étalonnage grâce, notamment, à la dendrochronologie (étude de l'âge des arbres en comptant et en analysant la morphologie des cernes des arbres). La comparaison entre l'âge obtenu par une datation au carbone 14 (âge carbone) et celui obtenu par dendrochronologie (âge réel) permet de relier l'âge carbone à l'âge réel quel que soit l'échantillon daté.
Des logiciels comme calib 14 ont ainsi été créés est permettent une calibration instantanée du résultat obtenu par ARTEMIS (ou par un autre accélérateur de masse). Ces logiciels sont régulièrement mis à jour ; ainsi le logiciel calib 14 est mis à jour tous les trois ans.
Courbe d'étalonnage de l'âge carbone pour les milieux terrestres avec en rouge l'âge carbone et en noir l'âge réel.
Cependant, la calibration diffère selon les milieux d'origine de l'échantillon. Un échantillon terrestre, de l'hémisphère sud, voit son âge diminuer de 40 ans, car il n'a pas subi les variations du taux de CO2 dans l'atmosphère, dues à la révolution industrielle. Pour un échantillon d'origine marine, il faut faire correspondre son âge carbone à une courbe de calibration propre aux échantillons d'origine marine. En effet, on utilise l'âge BP, auquel on rajoute la différence R, qui correspond à la différence entre l'âge moyen d'une région océanique précise et l'âge du modèle d'océan.
La datation au carbone 14 reste, malgré la calibration, une méthode assez approximative en raison des erreurs possibles. ARTEMIS donne toujours un intervalle pour l'âge et non un âge précis (Annexe 2). Ensuite, la calibration, bien qu'elle soit très étudiée, peut toujours comprendre des erreurs.
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