Soutenance mémoire
Le présent travail porte sur l’étude de la méthode de datation au carbone 14 et quelques unes de ses applications. La datation au carbone 14 constitue un outil important et privilégié pour la datation des objets anciens. Les applications de la datation au 14C s’étendent aussi sur plusieurs domaines de la science de l a terre et de l’environnement. On peut citer l’archéologie, l’océanographie, la paléoclimatologie…
Plusieurs techniques de datation ont été utilisées depuis la découverte de l’isotope 14C, par le Physicien Américain Frank Willard Libby en 1946. Il eut l’idée aussi de l’utilisation de cet élément à des fins de datation. Cette méthode de datation fût introduite au Sénégal vers les années 1966 par le Pr. Cheikh Anta Diop. Il utilisait une technique de comptage dite compteur à scintillation gazeux(CO2).Le laboratoire est devenu fonctionnel vers l’an 2000, après un long arrêt, avec l’installation de nouv eaux équipements. La nouv elle technique mise en œuvre est une technique de comptage en scintillation liquide(C6H6).
Présentation générale du carbone 14
Production du carbone 14
Le carbone 14 est produit par des rayons cosmiques provenant de la haute atmosphère. Ces rayons, pourvus de pr otons, se dirigent vers la terre, avec des directions différentes. Ainsi ces rayons sont obligés de heurter le champ magnétique terrestre qui grâce à son intensité et à sa direction arrête quelques rayons. Ceux qui réussissent à p asser, voient leurs protons choquer les molécules de l’atmosphère que sont l’azote et l’oxygène. Ce sont ces chocs sur les molécules de l’air qui vont donner naissance à des neutrons à l ’intérieur de s noyaux des atomes de s es molécules. L’arrangement des nucléons dans les noyaux devenant ainsi instable en raison donc d’un excès de neutrons. Dans ce cas ces noyaux tendent à se stabiliser en réagissant avec les excès de neutrons.
Propriétés du carbone 14
Le carbone pur est présent dans la nature sous deux formes : le graphite de couleur grise et le diamant de couleur transparente. Le carbone 14 a des propriétés intéressantes, contrairement aux deux autres isotopes 13C et 12C.
Il est radioactif émetteur β-.La désintégration β- est due à l’interaction faible lors de la transformation d’un neutron en un pr oton au s ein du noy au. Le c arbone 14 s e désintègre avec une période conventionnelle de 5568 ans (1951).
Il se forme de l’azote, une particule β- (il est un électron) et un ant ineutrino (l’antimatière du neutrino). Comme le rayonnement cosmique bombarde la terre depuis longtemps et que l e carbone 14 f ormé disparaît aussi, il s’établit un é quilibre entre la création et la décomposition du carbone 14.Cet équilibre, s’il existe, maintient constante la teneur en carbone 14 dans la nature, c’est-à-dire l’activité du 14C.L’activité est le nombre de radionucléide de la dite substance qui se désintègre par unité de temps. L’activité du 14C est de 13,56±0,07 désintégration par minute et par gramme de carbone (Karlen et al. 1966).L’activité peut aussi s’exprimer en Bq(Becquerel).
Le carbone 14 dans l’Univers
Le carbone 14 n’est pas à l’état isolé, il se trouve dans le CO2 atmosphérique et est très diversement réparti dans l’Univers. Tenons à préciser que la forme la plus courante du carbone dans la nature est du dioxyde de carbone.
Dans les sédiments : roches calcaires, sédiments marins, les charbons, les pétroles…
Sur la surface de la terre : sous formes de CO2 dans l’atmosphère, sous forme de composés organiques dans la biosphère terrestre et marine.
Dans les océans : sous forme de gaz carbonique, de bi carbonates dissous et de carbonates.
Principe de la méthode de datation au Carbone 14
Généralités et Principe de la méthode
Le carbone 14 se propage dans l’atmosphère sous forme de CO2.Il est ainsi capté et consommé par :
– les êtres vivants animaux par respiration et nutrition,
– les végétaux par photosynthèse,
– de même que les océans par dissolution etc.
A la mort de l’organisme, toute la quantité de CO2 contenant l’isotope 14C, commence à disparaître. Cette perte continue de 14C n’est plus remplacée ni stoppée jusqu’à sa disparition complète. La méthode consiste donc à mesurer la teneur e n 14C présent à l ’instant de l a mesure, dans l’échantillon, et la comparer à celle qu’elle avait à sa mort juste avant que le processus de désintégration ait commencé.
Ces deux valeurs N (t) et No étant connu, il ne f aut pas que, une quantité de 14C quelconque fût introduit dans l’échantillon après sa mort ou qu’une autre quantité de 14C disparaisse pour une cause outre que la décroissance radioactive. Etablissement de la loi de désintégration radioactive : Soit N le nombre de noyaux radioactifs d’un échantillon à l’instant t c’est-à-dire à l’instant de la mesure et N0 le nombre des noyaux radioactifs de l ’échantillon à l’instant initial t=0 ΔN le nombre de noyaux désintégrés pendant un intervalle de temps Δt, il est proportionnel à N et Δt : ΔN = -λNΔt .
Le carbone 14, emmagasiné par les êtres vivants disparaît en suivant un processus de désintégration dont le schéma réactionnel a été déjà vu. Pour étudier la loi de dés intégration radioactive du 14C, on s’intéresse d’abord au nombre de particules émis, puisque c’est ce nombre qui nous édifie sur le temps mis depuis que la décomposition a commencé. Ce nombre est défini comme étant l’activité du 14C. Cette activité déterminée par KARLEN et al (1966) est de 13 ,56±0,07 particules β_ émis par minutes et par gramme de Carbone 14. L’activité A d’un radio-isotope est le nombre de désintégrations par unité de temps dans une quantité donnée de c e radio-isotope. L’activité s’exprime en Becquerel(Bq) ; il représente le nombre de dés intégration par seconde (dps).Elle peut aussi s’exprimer en C urie(Cu).Le Curie (Cu) est l’activité d’un gramme de Radium.1Cu = 3.7.10¹⁰ Bq On définit aussi l’activité spécifique qui est le nombre de noyaux qui se désintègrent par seconde et par gramme de l’isotope radioactif. La valeur de la radioactivité naturelle a été mesurée par les physiciens, ils ont aussi montré que toute matière carbonée isolée de toute source de production de 14C perd tous les 5730±40 ans (Godwin, 1962) la moitié de sa teneur initiale. Notons aussi, qu’entre 1946 et 1950 plusieurs valeurs de la période de 14C ont été publiées allant de 7200±500 à 4700±470 ans, celle-ci a été fixée en 1951 à 5568±30 ans.
Par la suite les techniques de mesures devenant de pl us en plus nombreuses et précises, H. Godwin publia en 1962 une nouvelle valeur qui est égale à 5730±40 ans. Néanmoins c’est la valeur de 5568 ans dite période conventionnelle ou demi-vie du 14C qui est, et continue d’être, utilisée afin d’éviter toute confusion au s ein de l a communauté scientifique. L’activité initiale de 14C qu’avait un échantillon à dater, n’ait vraiment pas connu avec exactitude, car cette époque ne correspond pas souvent à notre ère, et aussi nous ne disposons pas de tous les moyens de la déterminer en valeur exacte. On la prend constante car la production et la disparition du carbone 14 dans l’atmosphère sont supposées complémentaires. La méthode requiert cette constance de l’activité pour tous les échantillons des fossiles appartenant tous, aux dernières 40 000ans au moins. Cette supposition n’est pas du t out juste à c ause de plusieurs facteurs dont nous discuterons plus loin. Ce qui va beaucoup influer sur les dates, jusqu’a même soulever des doutes sérieuses sur l’utilisation et la fiabilité de la méthode. C’est ainsi que ; plus tard vers les années 1960, on va penser à un réajustement de tous les âges radiocarbones, en donna nt des activités standardisées pour la méthode. Avant de parler de réajustement des dates 14C, nous allons tout d’abord donner les principales causes de variation de l’activité initiale du carbone. Ces causes ont donné naissance aux limites de la méthode.
Les limites de la méthode
Les limites indirectes
Rappelons les hypothèses qui sont à la base de la méthode de datation au carbone 14 :
• La concentration en 14C dans l’atmosphère est la même que c elle d’aujourd’hui.
• La concentration relative en 14C dans la biosphère est uniforme.
• La mort de l ’organisme correspond exactement à l ’ instant où cessent les échanges avec le milieu extérieur.
• Après arrêt des échanges, la teneur en 14C n’est modifiée que par décroissance radioactive du 14C.
En toute rigueur ces hypothèses ne sont pas vérifiées. De nombreux phénomènes peuvent les fausser. Nous pouvons citer entre autres : Les phénomènes physiques tels que l e champ magnétique terrestre et l’activité du s ystème solaire ; les effets réservoir ;la contamination de l’échantillon… La teneur originelle en radiocarbone No, n’a pas toujours été constante tout au long des 50 der niers millénaires et qu’elle a v arié dans d’importantes proportions pour diverses raisons dont, l’activité solaire et l’intensité du champ magnétique terrestre (M.Fontugne (2002)).
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Table des matières
Introduction générale
Chap. I : Présentation générale du carbone 14
I. Production du carbone 14
II. Propriétés du carbone 14
III. Le carbone 14 dans l’Univers
IV. Le cycle du carbone
Chap. II : Principe de la méthode de datation au C-14
I. Généralités et principe de la méthode
II. Les limites de la méthode
1. Les erreurs indirectes
a. L’activité du système solaire
b. Le champ magnétique terrestr
c. Le fractionnement isotopique
d. L’effet réservoir
e. Influence récente de l’activité de l’homme
2. Les erreurs directes
III. Les corrections de la méthode
1. Standardisations des activités
2. Dérive du taux de 14C
3. Etablissement de l’équation Δ14C
4. Calibrations des dates 14C
IV. Techniques de comptage
1. Les comptages proportionnels
a. Le comptage proportionnel à carbone gazeux
b. Le comptage proportionnel à carbone liquide
2. Le spectromètre de masse par accélération (SMA)
Chap. III : Les différentes méthodes de datation
I. Les méthodes de datation dites « relatives »
1. La Typologie
2. La Palynologie
3. La stratigraphie
4. La Paléontologie
II. Les méthodes de datation dite « absolues »
1. Les méthodes basées sur les phénomènes radioactives
• La datation au Carbone 14
• La méthode Potassium/Argon : K/Ar
• Méthode de datation par Uranium/Thorium
• Méthode de datation par le couple Rb/ Sr
2. Les méthodes basées sur des défauts cristallins
• La thermoluminescence
• La résonance paramagnétique électronique (RPE) ou résonance de spin électronique (ESR)
• Les traces de fission
3. Les méthodes basées sur des phénomènes de diffusion
• Hydratation de l’obsidienne
4. Les méthodes basées sur des phénomènes cycliques
• La dendrochronologie
• L’archéomagnétisme
Chap. IV : Méthodes de datation par un compteur à scintillation liquide au Laboratoire de carbone 14
I. Présentation et description du matériel expérimental
1. Le compteur
2. Le banc de synthèse du benzène
II. Traitement d’un échantillon
1. Prétraitement physique
2. Prétraitement chimique
3. Synthèse du benzène
4. Comptage
III.Exploitation des résultats
IV.Conclusion
V. Applications
Conclusion générale
