La datation par le carbone 14 permet à la science de remonter le temps
Le carbone possède 16 isotopes en tout. Le carbone 12 et le carbone 13 sont les plus abondants. Martin Kamen du Radiation Laboratory et Samuel Ruben du département de Chimie de l’Université de Berkeley découvrent le carbone 14. Traceur biologique, polluant, le carbone 14 est surtout connu pour ses applications en archéologie. Willard Frank Libby, développera la méthode de datation par le carbone 14. Il recevra, pour cela, le prix Nobel de chimie en 1960. Le carbone possède plusieurs formes – ou « isotopes » – parmi lesquelles le carbone 14, ou 14C. Cet élément est radioactif, et sa radioactivité décroît au fil du temps à un rythme parfaitement régulier. Les scientifiques s’en servent donc comme « chronomètre » pour estimer l’âge d’objets très variés : œuvres d’art, roches, fossiles… La datation au carbone 14 est ainsi utilisée dans de nombreux domaines scientifiques : des sciences de la Terre aux sciences du vivant, en passant par les sciences de l’Homme et de la société.
Le carbone 14 est un isotope radioactif du carbone. Sa période radioactive, temps au bout duquel la moitié de ces atomes s’est désintégrée en azote 14, est de 5 730 ans. Se formant dans la haute atmosphère de la Terre, il existe 1 atome de carbone 14 pour 1 000 milliards de carbone 12 (isotope non radioactif). Comme tout isotope du carbone, le carbone 14 se combine avec l’oxygène de notre atmosphère pour former alors du CO2 (dioxyde de carbone).
Ce CO2 est assimilé par les organismes vivants tout au long de leur vie : respiration, alimentation. En mourant, ils n’en assimilent plus. La quantité de carbone 14 assimilé diminue alors au cours du temps de façon exponentielle tandis que celle de carbone 12 reste constante. La datation repose sur la comparaison du rapport entre les quantités de carbone 12 et de carbone 14 contenues dans un échantillon avec celui d’un échantillon standard de référence. On déduit de cette comparaison « l’âge carbone 14 » de l’échantillon qu’on cherche à dater. Cet « âge carbone 14 » est ensuite traduit en âge réel (ou « âge calendaire »), en le comparant à une courbe-étalon, réalisée par les chercheurs à force de nombreuses mesures complémentaires. On peut ainsi en déduire l’âge de l’objet étudié et remonter jusqu’à 50 000 ans environ (au-delà, la technique n’est pas assez précise).
Le carbone 14, de sa formation à sa désintégration 
Méthodologie
-Les chercheurs prélèvent un échantillon d’un objet (quelques grammes ou microgrammes) qu’ils veulent dater, et le préparent à travers une succession de réactions physico-chimiques.
On ne conserve que le carbone contenu dans l’échantillon.
Les chercheurs déterminent la quantité de carbone 14 par des mesures de radioactivité ou par spectrométrie de masse, et peuvent ainsi calculer « l’âge carbone 14 » de l’objet.
Il leur faut ensuite comparer cet « âge carbone 14 » à une courbe d’étalonnage pour relier cet âge relatif à un âge réel, et ainsi savoir depuis combien de temps l’objet existe.
Enjeux : comprendre par la datation les grands mécanismes en Sciences de la Vie et de la Terre
Utilisés comme chronomètres ou comme traceurs d’échange entre différents réservoirs de carbone, les « âges carbone 14 » sont utilisés dans une variété de domaines de recherche :
En Histoire et archéologie : c’est un outil précieux et largement utilisé pour dater des échantillons organiques et construire une chronologie (en égyptologie par exemple).
En sismologie et volcanologie : les chercheurs déterminent ainsi la fréquence d’événements sismiques ou volcaniques et mieux évaluer les risques potentiels futurs.
En climatologie : le carbone 14 permet de suivre l’évolution du cycle du carbone, intimement lié aux variations climatiques et environnementales. Cette technique de datation permet, en étudiant des prélèvements de sédiments, de dresser une chronologie précise de l’enchaînement des événements climatiques passés.
En océanographie et agronomie : le carbone 14 sert de traceur environnemental. En datant certains fossiles océaniques ou les différents composés de la matière organique dans les sols, les scientifiques peuvent ainsi retracer la dynamique de la circulation océanique dans le passé, déterminer les temps de résidence du carbone dans les sols et ainsi aboutir à une meilleure compréhension du cycle du carbone.
Enfin, l’analyse du carbone 14 dans les écosystèmes permet l’étude de la radioactivité présente dans l’environnement.
Recherche et Développement : affiner les estimations d’« âge carbone »
Les chercheurs tentent d’améliorer les techniques de datation du carbone 14, et de les compléter avec d’autres approches (datation uranium-thorium, potassium-argon). Historiquement les premières datations d’échantillons ont été faites avec des compteurs proportionnels à gaz (on mesure la radioactivité émise par le carbone 14, transformé auparavant en gaz carbonique).
Cette méthode a laissé la place à deux techniques complémentaires :
Le détecteur à scintillation : ce détecteur mesure la radioactivité d’un échantillon en carbone 14 par la mesure de la lumière émise à chaque désintégration d’un atome de carbone 14. Cette méthode est donc une mesure directe de la radioactivité. Son défaut est la nécessité d’utiliser de grandes quantités de matière (plusieurs grammes) pour obtenir des mesures avec une précision suffisante, ce qui est très contraignant dans le cas où l’objet étudié est très fragile, petit ou précieux.
Ces techniques reposent toutes les deux sur une préparation minutieuse de la matière à dater :
Préparation pour éliminer tout matériau contaminant par traitement mécanique et chimique,
Combustion ou hydrolyse des carbonates de la matière obtenue pour transformer le carbone en gaz carbonique,
Dans le cas du SMA : réduction du gaz carbonique pour obtenir du graphite qui est l’élément introduit dans le spectromètre.
Pourquoi la datation au carbone 14 est une mesure dite « relative » ?
La quantité de carbone 14 formé dans la haute atmosphère, bien qu’assez constante, peut connaître des variations. De même, cet élément ne se répartit pas uniformément sur Terre : la quantité assimilée par les organismes varie donc en fonction du contexte dans lequel vivait l’organisme
Comme ces mécanismes sont variables, les « âges carbone 14 » sont relatifs : ils dépendent pour une part de l’âge de l’objet d’étude, mais également des conditions environnementales qui existaient alors. Pour pallier cela, les chercheurs ont établi une échelle de calibration des « âges carbone 14 » avec différentes mesures d’objets dont on connaît la date (datation absolue), pour les comparer avec les « âges carbone 14 »qu’ils obtiennent (datation relative).
Découverte du carbone 14
Le 27 février 1940, Martin Kamen et Samuel Ruben confirment l’existence de l’isotope du carbone 14C. Travaillant à l’Université de Californie, Berkeley, Californie, États-Unis, ils ont détecté la radioactivité dans un échantillon de CO2 obtenu en brûlant une cible en graphite qui avait été bombardée de deutérons dans le cyclotron du laboratoire. Se désintégrant en 14N par émission β, l’isotope a une demi-vie très longue (découverte plus tard de 5730 ans). Cela a ouvert de nouvelles possibilités d’utilisation de traceurs radioactifs pour élucider les mécanismes de réaction. S’appuyant sur la découverte de Ruben et Kamen, Willard Libby et ses collègues ont développé la datation au radiocarbone en 1949. L’âge des objets organiques peut être calculé en comparant le rapport entre le 14C restant dans un échantillon et le contenu atmosphérique au moment du décès. Cette méthode a eu un impact considérable sur l’archéologie, car elle permet de dater avec précision les artefacts à grande échelle de temps. Pour cette découverte, Libby a reçu le prix Nobel de chimie en 1960.
Samuel Ruben, né en 1913, a étudié la chimie à l’Université de Californie à Berkeley, où il a obtenu son doctorat. en 1938. Il est resté à UC Berkeley, travaillant sur la chimie, la physique nucléaire et l’élucidation des voies de réaction biochimique sous Ernest O. Lawrence avec Martin Kamen. Leurs expériences utilisant 18O ont montré que l’oxygène produit lors de la photosynthèse provient de l’eau et non du CO2. Pendant la seconde guerre mondiale, Ruben a étudié les effets du phosgène sur les tissus pulmonaires. Il est mort après un tragique accident de laboratoire avec le gaz toxique en septembre 1943.
Martin D. Kamen, né à Toronto, Canada, en 1913, a étudié la chimie à l’Université de Chicago, Illinois, États-Unis, où il a obtenu son doctorat. en chimie physique en 1936. Il rejoint le Radiation Laboratory de l’UC Berkeley, travaillant avec Sam Ruben. Kamen a été affecté au projet Manhattan en 1943, travaillant au Oak Ridge Laboratory, TN.
Après son retour à Berkeley, il a été accusé d’être un espion parce que ses parents ont émigré de Russie et ont perdu son poste. La lutte de Kamen avec ces accusations s’est poursuivie jusque dans les années 1950. En 1957, il rejoint l’Université Brandeis de Waltham, MA, USA, et en 1961 il rejoint l’Université de Californie, San Diego, USA, où il restera jusqu’à sa retraite en 1978. Martin Kamen décède le 31 août 2002 à Montecito, CA .
La découverte du carbone 14 et du CAMS
Le 27 février 1940, Martin Kamen et Samuel Ruben ont confirmé l’existence du radio-isotope carbone 14 après une année d’expérimentation au Laboratoire de Radiation de l’Université de Californie à Berkeley. Depuis leur découverte et son développement par Kamen comme traceur dans les systèmes biologiques, le carbone 14 a été utilisé par les biochimistes pour comprendre toutes les réactions biochimiques impliquant le carbone, ainsi que par d’innombrables chimistes, biologistes moléculaires et scientifiques médicaux. De même, une technique développée par William Libby en 1949, connue sous le nom de datation au radiocarbone, a permis aux scientifiques de dater des découvertes archéologiques et anthropologiques jusqu’à 60 000 ans. La découverte et l’utilisation du carbone 14 par Kamen et Ruben comme atome traceur étaient révolutionnaires. Il a tout transformé, de la biochimie à l’océanographie.
La valeur potentielle du carbone 14 dans la science avait été réalisée avant même qu’il ne soit synthétisé pour la première fois, bien que la production de l’isotope du carbone ait échappé aux scientifiques pendant des années. Au milieu des années 1930, on avait découvert que les éléments légers avaient des isotopes radioactifs à courte demi-vie. Le carbone 14 devait être si éphémère que les scientifiques craignaient de ne pas pouvoir le détecter. Il y avait une incertitude considérable quant à la réaction qui produirait l’isotope. En 1939, Ernest O. Lawrence, fondateur des laboratoires nationaux de Berkeley et de Livermore, demanda au physicien de Berkeley Martin Kamen de lancer une campagne intensive pour déterminer si le radio-isotope pouvait ou non être créé.
Au cours de l’année suivante, Kamen, avec son collègue Samuel Ruben, collègue du Radiation Lab, a travaillé sans relâche pour synthétiser l’isotope du carbone, mais a échoué. En janvier 1940, Kamen a commencé une expérience de « désespoir », en plaçant une cible en graphite à l’intérieur du cyclotron de 37 pouces du Radiation Laboratory (le premier accélérateur de particules majeur au monde), où, au cours du mois suivant, il a absorbé tout le faisceau de deutérons tout au long de la soirée. heures. Pendant la journée, Kamen a retiré le graphite des faisceaux complets pour faire place à d’autres expériences, bien que la cible ait continué à absorber des deutérons. La chaleur et la force physique des poutres provoquaient l’écaillage du graphite, sur lequel Kamen cimentait périodiquement. L’espoir de Kamen était que les atomes de carbone 13 absorberaient les deutérons, émettraient un proton et donneraient du carbone 14.
Le 15 février 1940, Kamen a mis fin au bombardement de la cible et est rentré chez lui après plusieurs jours et nuits sans sommeil. Ce qui allait suivre comme l’une des plus grandes découvertes scientifiques a failli dérailler lorsqu’un Kamen aux yeux rouges et négligé a été arrêté et interrogé par la police de Berkeley, qui recherchait un condamné évadé qui venait de commettre plusieurs meurtres. Des témoins ont cependant innocenté Kamen, qui a été renvoyé à son travail. Plus tard dans la journée, Sam Ruben a détecté une radioactivité prometteuse dans l’échantillon de graphite de Kamen. Le 27 février, après des analyses chimiques répétées et des observations d’activité, Kamen et Ruben ont conclu qu’ils avaient découvert le carbone 14. À leur grand étonnement, la demi-vie semblait être d’environ 4 000 ans, ce qui, compte tenu de la petite taille de l’échantillon, était assez proche des 5 730 ans actuellement attribués.
La découverte du carbone 14 et son utilisation comme traceur ont encore été révolutionnées avec le développement ultérieur d’une technique appelée spectrométrie de masse par accélérateur (AMS). L’AMS est une technique sensible pour mesurer les concentrations d’isotopes spécifiques dans de très petits échantillons : par exemple, l’isolement d’un isotope du carbone 14 parmi un quadrillion (un million de milliards) d’autres atomes de carbone. À la fin des années 1980, Jay Davis de Livermore a reconnu l’opportunité d’établir une capacité AMS multi-utilisateurs au LLNL et a recherché un soutien pour une nouvelle installation d’accélérateur auprès de programmes à travers le laboratoire.
En 1988, près de 50 ans après la percée de Kamen et Ruben, le Lawrence Livermore National Laboratory a créé le Center for Accelerator Mass Spectrometry (CAMS). La spectrométrie de masse par accélérateur prend en charge les études sur la qualité de l’environnement, le changement climatique, la sismologie, l’archéologie et les sciences biomédicales, et elle offre aux chercheurs de Livermore la capacité de diagnostiquer les produits de fission des tests atomiques et de surveiller la propagation des armes nucléaires grâce à la détection de radio-isotopes dans l’air, échantillons d’eau et de sol.
Le CAMS a commencé sa première année complète d’exploitation en 1990. Aujourd’hui, il continue de faire ses preuves en tant qu’installation de recherche très polyvalente, effectuant quelque 25 000 mesures par an. CAMS contribue au succès d’un large éventail de programmes de laboratoire et de projets de recherche externes collaboratifs. Le CAMS sert également d’installation pour les utilisateurs, fournissant des capacités analytiques aux chercheurs du monde entier.
https://www.cea.fr/comprendre/Pages/radioactivite/essentiel-sur-la-datation-au-carbone-14.aspx
https://www.futura-sciences.com/maison/definitions/maison-datation-carbone-14-11081/
https://www.chemistryviews.org/details/ezine/7412281/75th_Anniversary_Discovery_of_Carbon_14/
https://st.llnl.gov/news/look-back/discovery-carbon-14-and-cams