La datation au carbone 14 (14C)

La datation d’un vestige ou d’un objet archéologique permet de le situer à une époque précise. Elle permet aussi de savoir pendant combien de temps un site a été occupé, et comment cette occupation a eu lieu (de façon continue ou discontinue) [1].

Les différentes datations

Il existe à ce jour deux grands types de méthodes de datation :

Tout d'abord, les méthodes de datation relative

Ces méthodes permettent de dater un site ou un vestige en le comparant à des sites ou vestiges déjà datés ; ou alors, en comparant un vestige à d’autres vestiges du même site [2].

Un exemple de méthode de datation relative est la stratigraphie. Elle consiste en l’étude des strates géologiques (couches de roche/couches de sol) d’un site. Chaque événement, qu’il soit provoqué par l’Homme (construction d’une route) ou par la nature (éruption volcanique), laisse des traces dans le sol.

L’étude de l’agencement de ces strates permet d’établir une chronologie entre elles. Les strates les plus anciennes ont tendance à être les plus profondes, bien que certains événements puissent venir déranger cet ordre [3].

 

Puis, les méthodes de datation absolue

Ces méthodes permettent de dater un échantillon sans se baser sur son contexte archéologique. Elles se basent sur des analyses physico-chimiques. Chaque méthode est applicable pour une période temporelle donnée [2].

La datation au 14C fait partie des méthodes de datation absolue [2]. Willard Libby a obtenu le prix Nobel de chimie en 1960 pour cette avancée scientifique [4]. Cet article propose d’approfondir les principes et limites technologiques de cette méthode.

Le carbone 14 (14C)

Les isotopes du carbone

Un atome est composé d’un noyau et d’électrons qui gravitent autour du noyau. Le noyau est composé de protons (particules dont la charge électrique est unitaire et positive) et de neutrons (particules dont la charge électrique est nulle).

On définit un élément chimique par le nombre Z de protons que son noyau contient ; dans le cas du carbone, Z=6. Le carbone 14 (14C) est un isotope de l’élément chimique carbone.

Les isotopes d’un élément sont tous les atomes qui possèdent le même nombre de protons Z mais un nombre de neutrons différents.

Il existe trois isotopes du carbone :

  • Tout d'abord, le carbone 12 (6 protons et 6 neutrons).
  • Puis, le carbone 13 (6 protons et 7 neutrons).
  • Et enfin, le carbone 14 (6 protons et 8 neutrons).

La radioactivité du 14C

La particularité du 14C est qu’il est radioactif. Cela veut dire que c’est un atome qui possède un noyau instable, et que pour devenir stable, il peut se désintégrer naturellement en particules plus légères. Il se désintègre selon un processus qu’on appelle désintégration β- [5].

Cette désintégration aboutit (entre autres) à la formation d’azote 14 (14N).

Remarque : La radioactivité est un phénomène nucléaire ; il a lieu au niveau du noyau. Les électrons d’un atome ne sont pas impliqués dans ce processus.

Chaque élément radioactif possède une période, qui est la durée de temps au bout de laquelle la moitié des atomes d’une population de cet élément chimique se sont désintégrés. Celle du 14C est de 5 730 ans [6].

Il faut ensuite ajouter qu’une loi régit la désintégration des éléments radioactifs. Elle s’appelle la loi de décroissance radioactive et elle indique qu’une population d’éléments radioactifs diminue de manière exponentielle et en fonction de sa période :

N(t) = N0.exp(-λ.t)

Avec :

  • N(t) : la population de noyaux radioactifs à un instant t.
  • N: la population initiale de noyaux radioactifs.
  • λ : la constante de désintégration de l’élément chimique en question.

Enfin, il est à noter que le carbone naturel est composé à 98,9% de 12C, de 1,1% de 13C, et d’une quantité infinitésimale de 14C (1 atome de 14C pour 1 000 milliards d’atomes de 12C) [6].

 

Le cycle du carbone

On peut diviser la Terre en quatre grands compartiments : l’atmosphère, la biosphère (l’ensemble des organismes vivants de la planète), l’hydrosphère et la lithosphère (l’épaisseur supérieure de la croûte terrestre).

Ces quatre compartiments s’échangent du carbone via différents processus. Par exemple, le carbone contenu dans le dioxyde de carbone (CO2) et le méthane (CH4) de l’atmosphère passe dans la biosphère grâce à la photosynthèse et dans l’hydrosphère par absorption [7].

Ces échanges constants entre les différents compartiments forment un cycle, qu’on appelle cycle du carbone.

La conséquence de ce cycle est que la quantité de carbone présente dans ces quatre compartiments peut être considérée comme constante si l’on considère une période de temps donnée.

 

Le principe de la datation au 14C

Les organismes vivants absorbent du CO2 (dont une partie contient du 13C  et du 14C) via la photosynthèse jusqu’à leur mort.

C’est à partir de ce moment-là que la quantité de CO2 contenant du 14C se met à décroître exponentiellement. Comme la quantité de 14C par rapport au 12C est considérée comme constante et connue, si on détermine la proportion de 14C par rapport au 12C présente dans un vestige archéologique, on peut déterminer son âge grâce à la loi de décroissance radioactive.

 

Le calibrage

La comparaison de cette méthode de datation avec d’autres méthodes a mis en évidence une différence sur l’âge obtenu des échantillons.

Cette méthode de datation se base sur le fait que la proportion de 14C est constante ; or, dans les faits, elle ne l’est pas. En effet, la formation de 14C varie avec l’activité solaire, le champ magnétique terrestre, les explosions nucléaires et l’augmentation du CO2 dans l’atmosphère [5].

Pour pallier à cette constatation, la proportion de 14C a été déterminée pour plusieurs époques, et l’utilisation d’autres méthodes de datation ont été utilisées pour construire des courbes de calibration [1][4][5].

 

Les limites de cette méthode

Si la méthode de datation au 14C est relativement précise, elle présente toutefois certaines limites. Premièrement, elle nécessite une longue préparation en laboratoire. D’autre part, la datation au carbone 14 ne fonctionne pas pour les échantillons vieux de plus de 50 000 ans car la quantité de 14C y est trop faible [1][6]. Il faut aussi que le vestige que l’on veut dater contienne de la matière organique [1].

On peut également noter que d’autres méthodes ont été mises en place pour améliorer la datation au carbone 14. En effet, « les premières datations utilisant cette méthode ont été réalisées grâce à des compteurs proportionnels à gaz » [6]. Ceci signifie que le carbone 14 a préalablement été transformé en gaz carbonique, puis que la radioactivité émise par ce gaz a été mesurée.

Cette méthode historique a laissé place aux deux techniques suivantes [6] :

  • Le détecteur à scintillation. Ici, c’est la lumière émise à chaque désintégration est mesurée.
  • Le spectromètre de masse par accélérateur. Ici, c’est le nombre d’atomes de carbone 14 qui est mesuré.

Enfin, il existe d’autres méthodes de datation utilisant les radioéléments, comme :

  • La datation potassium-argon, (basée sur la désintégration du potassium). Elle permet par exemple de dater des roches éruptives [2].
  • Ou encore, la datation uranium-thorium (basée sur la désintégration de l’uranium). Elle permet «d’obtenir des dates pour les périodes allant de 10 000 à 350 000 ans » [2], donc des dates antérieures à celles accessibles grâce au carbone 14.

 

Laure-Patricia BALEP Rédactrice scientifique ABGI

 

Laure-Patricia BALEP
Rédactrice scientifique

 

 

 


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