Le carbone est l'élément le plus répandu sur Terre. Il crée de nombreuses liaisons, principalement avec l'hydrogène et l'oxygène. Il existe trois isotopes connus du carbone : 12 C, 13 C et 14 C. Ce dernier, en raison de ses propriétés radioactives, est familièrement appelé radiocarbone. Son application la plus importante est la détermination de l'âge des formations géologiques et des objets archéologiques. De plus, le radiocarbone est utilisé pour étudier les changements environnementaux.
Radioactivité de l’isotope du carbone 14 C
Les isotopes sont un ensemble d’atomes du même élément qui ont un numéro atomique identique et un nombre de masse différent. La grande majorité des éléments naturels ont plus d’un isotope. Leurs propriétés peuvent être très différentes. Les pourcentages d’isotopes individuels varient également de manière significative. Le carbone élémentaire a trois isotopes : 14 C, 13 C et 12 C. Le plus commun est le 12 C – plus de 98 %. Dans la nature, on trouve beaucoup moins de 13 C. D’autre part, l’isotope radioactif du carbone – 14 C est présent sur Terre en très petite quantité. Sa source est les réactions nucléaires des neutrons thermiques (d’origine cosmique) avec les noyaux d’azote. Ils se déroulent dans la stratosphère. L’isotope du carbone 14 C se désintègre spontanément. La désintégration bêta produit de l’azote non radioactif 14 N , un électron et un antineutrino. Au fil du temps, la teneur en isotopes radioactifs 14 C dans le matériau diminue. L’intensité du rayonnement qu’il produit diminue également. Le temps au bout duquel la teneur en carbone radioactif diminue de moitié est défini comme la demi-vie (caractéristique des éléments radioactifs). Pour l’isotope 14 C du carbone, il est de 5730 ans. Ainsi, après ce temps, d’une portion de 14 C radioactif il en reste la moitié.
Datation au radiocarbone
Une grande partie de l’isotope du carbone 14 C, qui s’accumule dans l’atmosphère, est oxydée pour former du 14 CO. Lorsque cette forme réagit avec le radical hydroxyle (OH), elle est encore oxydée en 14 CO 2 . Le dioxyde de carbone, 14 CO 2 , est à son tour libéré de l’atmosphère dans la biosphère et l’hydrosphère (à la suite, par exemple, de la diffusion, de la dissolution, de la photosynthèse). Le radiocarbone 14 C est un composant de nombreux composés organiques. Ils s’assimilent dans les plantes ou se dissolvent dans l’eau de mer. La concentration de l’isotope 14 C dans l’atmosphère est plusieurs fois plus élevée que, par exemple, dans les profondeurs de l’océan. Ainsi, il devient un traceur isotopique naturel. Avec son aide, il est possible de suivre les changements qui se produisent dans l’environnement naturel. L’une des applications les plus importantes de l’isotope 14 C est la datation dite au radiocarbone. Le dioxyde de carbone contenant du 14 C radioactif pénètre dans tous les êtres vivants – plantes et animaux. Les organismes participent au cycle d’échange du radiocarbone avec la biosphère. La teneur en isotope 14 C est alors constante. Cela change lorsque l’organisme meurt. Lorsqu’un organisme meurt, il n’absorbe plus le carbone 14 C, sa quantité diminue donc régulièrement. La désintégration de cet isotope a lieu à une vitesse déterminée par la loi de sa désintégration (la désintégration des atomes de 14 C au cours du temps prend la forme d’une fonction exponentielle). L’hypothèse citée est devenue la base pour déterminer l’âge des découvertes archéologiques, appelée datation au radiocarbone (ou la méthode du carbone radioactif). La comparaison du rapport de la teneur en 14 C et 12 C dans la matière organique morte et dans l’atmosphère permet de déterminer l’âge radiocarbone (le temps entre la mort de l’organisme et le moment de la mesure). L’âge radiocarbone conventionnel est déterminé en comparant la teneur des deux isotopes du carbone dans l’échantillon d’essai et dans l’étalon de la biosphère moderne.
Technique AMS pour mesurer la concentration en radiocarbone, 14 C
La mesure de la teneur en carbone radioactif 14 C dans le matériau est compliquée et nécessite un équipement spécialisé, ce qui rend l’ensemble du procédé coûteux. La technique de l’accélérateur, AMS, exploite le fait que le 14 C est légèrement plus lourd que le 12 C (environ 1,17 fois). Une mesure parallèle de la teneur en 13 C est également effectuée. Les spectromètres de masse à accélérateur sont utilisés dans la technique AMS. Les différents composants de cet appareil, tels que la source d’ions, l’accélérateur, l’aimant d’analyse ou l’analyseur électrostatique sont disposés sur les côtés d’un carré de 5 x 5 m. Il s’agit entièrement d’une chambre uniforme à vide poussé d’une longueur d’environ 15 mètres. Le dispositif peut être divisé en une partie basse énergie et une partie haute énergie. Pour déterminer le rapport des isotopes de carbone individuels, le spectromètre AMS mesure les atomes de 14 C, 13 C et 12 C qui sont libérés de la cathode (constituée du matériau d’essai). Les ions carbone (produits dans la source d’ions) sont dirigés vers l’accélérateur. Là, ils sont accélérés et frappent l’aimant d’analyse. Ils se trouvent alors dans la chambre à dérive, qui permet la mesure du courant électrique des deux types d’ions. Enfin, les ions de l’isotope radioactif du carbone 14 C, après avoir traversé l’analyseur électrostatique, parviennent au détecteur qui permet de les compter. Le spectromètre AMS est un appareil extrêmement avancé. Toutes les parties de l’appareil et les paramètres de fonctionnement actuels sont contrôlés par un logiciel PC spécial et peuvent être contrôlés à partir d’une console.
