Datation au carbone 14
Le modèle planétaire de l'atome est obsolète mais il a le mérite de montrer tous les constituants de l'atome. Les électrons orbitent autour du noyau constitué de protons (rouges) et de neutrons (bleus).
Avant de poursuivre des rappels sur la structure de l'atome et la radioactivité s'imposent. Un atome est constitué d'un noyau chargé positivement autour duquel orbitent des électrons chargés négativement. Le noyau contient des protons ayant une charge positive et des neutrons dépourvus de charges. Le nombre de protons est égal au nombre d'électrons et détermine les propriétés chimiques de l'atome, c'est son numéro atomique Z. Dans le cas du Carbone, par exemple, Z=6. Le noyau contient 6 protons mais il contient aussi 6 neutrons sa masse atomique A est de 12 ce que l'on écrit 126C. Certains atomes contiennent un nombre de neutrons différent, 7 neutrons pour le 136C, 8 neutrons pour le 146C. Ce sont des isotopes. L'isotope qui nous intéresse est le 146C radioactif. Il constitue une part infime du carbone total (un atome sur 1 000 milliards).
Le 146C se forme dans la haute atmosphère. Les neutrons des rayons cosmiques agissent sur l'Azote [2][3].
147N + 10n⟶ 11H + 146C + e-
Lorsque le 146C se désintègre, un des neutrons de son noyau se transforme en un proton et un électron. Le nombre Z est modifié : le Carbone se transmute en Azote [2][3]. L'élèment père, le Carbone, engendre l'élèment fils l'Azote
Pour chaque cm² de surface terrestre, il se forme 2 atomes de Carbone 14 par seconde tandis que 2 atomes se désintègrent. Synthèse et désintégration se compensant la quantité de146C reste constante [2].
Le 146C est absorbé par les êtres vivants
Un atome de 146C se combine avec une molécule d'oxygène pour donner du dioxyde de carbone qui est absorbé par les végétaux verts lors de la photosynthèse. Puis les consommateurs ingèrent à leur tour les produits de la photosynthèse et avec eux du 146C. Au final tous les êtres vivants contiennent du 146C dans les mêmes proportions que l'atmosphère (où l'eau) dans laquelle ils vivent. Cela va se maintenir tout au long de la vie car la matière vivante est renouvelée en permanence . Chaque seconde, 3 000 atomes de 146C se désintègrent dans votre organisme et sont remplacés. A la mort, le renouvellement cesse et la quantité de l'isotope radioactif commence à diminuer, le chronomètre est mis en route, on dit que c'est la fermeture du système.
La fonction de décroissance radioactive permet de calculer la quantité de 14C restant au temps t après la fermeture du système.
(1)
La quantité de l'élèment fils Nfils, ici l'azote, est égale à la quantité d’élément père qui a disparu par désintégration : d'où Nfils= N0-N. En remplaçant N par la valeur donnée dans l'équation (1) on obtient l'équation (2) et en faisant de même pour N0 on obtient l'équation (3).
(2)
ou
(3)
L'équation (1) permet de calculer l'âge d'un échantillon connaissant la quantité N de 14C contenue dans celui-ci.
λ = 1,21.10-4.an-1 et N0 est la quantité initiale de 14C. Lorsque les Hommes peignaient la grotte de Lascaux ou construisaient les pyramides la quantité initiale était la même qu'actuellement. A la fermeture du système il y a toujours un atome de 14C sur 1 000 milliards d'atomes de Carbone, c'est là tout l'intérêt de cet isotope.
Appliquer les valeurs de N et t choisies enfin
Lancer la simulation
Période du 14C
On choisissant judicieusement les paramètres, déterminer quelle est la période du 14C
Premières datations
Quelle est la date de construction de la pyramide de Meydum, sépulture du pharaon Sneferu? (Wikipedia)
En 1951, J. R. Arnold et W. F. Libby [1] ont publié les premières datations au 14C, sa période étant connue seulement depuis deux ans. Ils ont mesuré la quantité de cet isotope dans une poutre de Cédre trouvée dans la tombe du Pharaon Sneferu qui d'aprés les égyptologues aurait été enterré là il y a environ 4575 ans ± 75 ans. L'échantillon contenait 56 % de la teneur actuelle en 14C. En utilisant le simulateur déterminer l'age de la poutre.
En 1951, l'erreur de mesure était de ± 300 ans
La grotte Chauvet
La grotte Chauvet : quand cette fresque fut elle réalisée? (Ministére de la culture)
En 1994, Jean-Marie Chauvet découvrait dans l'Ardéche une grotte aux murs ornés d’un incroyable bestiaire. On pensait que cette grotte avait été peinte à la même période que la grotte de Lascaux soit il y a 18 000 ans. Les charbons de bois utilisés pour réaliser les dessins ont servis à des fins de datation [4][5].
Quelle quantité de 14C le laboratoire s'attendait-il à trouver?
Vous comprendrez l'étonnement des scientifiques lorsque les résultats ont été connus : 2 %
Ce qui donne un age de
Les traces d'un foyer
Les traces d'un foyer allumé par l'Homme ont été identifiées dans le sud de l'Espagne (Murcie). On y a découvert de nombreux os et du charbon de bois, il a été daté de -800 000ans [6].
Bibliographie
Arnold J. R., and Libby W. F. - 1951. Radiocarbon Dates. Science (New York, N.Y.) 113(2927):111–120.
Aubouin J., Brousse R., and Lehman J. P. - 1975. Précis de géologie t. 2. Paléontologie, stratigraphie. 697 pages. Dunod
Labrousse, Loïc, Raymond, Daniel, Schaaf, André, De Wever P. - 2005. La mesure du temps dans l’histoire de la Terre - - Livres. 132 pages (Société géologique de France, Ed.). Vuibert.
Quiles A., Valladas H., Bocherens H., Delque-Količ E., Kaltnecker E., Van Der Plicht J., Delannoy J. J., Feruglio V., Fritz C., Monney J., Philippe M., Tosello G., Clottes J., and Geneste J. M. - 2016. A high-precision chronological model for the decorated Upper Paleolithic cave of Chauvet-Pont d'Arc, Ardèche, France. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America 113(17):4670–4675.
Valladas H., Tisnérat-Laborde N., Cachier H., Kaltnecker É., Arnold M., Oberlin C., and Évin J. - 2005. Bilan des datations carbone 14 effectuées sur des charbons de bois de la grotte Chauvet. Bulletin de la Société préhistorique française 102(1):109–113.
Walker M. J., Anesin D., Angelucci D. E., Avilés-Fernández A., Berna F., Buitrago-López A. T., Fernández-Jalvo Y., Haber-Uriarte M., López-Jiménez A., López-Martínez M., Martín-Lerma I., Ortega-Rodrigáñez J., Polo-Camacho J.-L., Rhodes S. E., Richter D., Rodríguez-Estrella T., Schwenninger J.-L., and Skinner & A. R. - 2016. Combustion at the late Early Pleistocene site of Cueva Negra del Estrecho del Río Quípar (Murcia, Spain) Madrid Cueva Negra del Estrecho del Río Quípar. ANTIQUITY 90:571–589.