Les alchimistes ont longtemps rêvé pouvoir transmuter des métaux quelconques en or. Aujourd’hui, on sait que ces transformations sont compliquées mais pas impossibles.

En effet, chaque élément du tableau périodique est caractérisé par le nombre de protons contenu dans son noyau. Si le noyau contient 1 proton, il s’agit d’un atome hydrogène, s’il en contient 2 c’est de l’hélium, 6 pour le carbone, 7 pour l’azote, 8 pour l’oxygène etc.

Et si suffisamment d’énergie est disponible, des atomes peuvent s’entrechoquer au point de modifier le nombre de protons dans leur noyau. On appelle ça une réaction nucléaire.

Les deux types de réactions nucléaires les plus connues sont :

  • la fission, par exemple, celle de l’atome d’uranium qui contient 92 protons et qui donnent naissance à un atome de krypton (36 protons) et un atome de baryum (56 protons).
  • et la fusion, par exemple, deux atomes d’hydrogène qui se combinent pour former un atome d’hélium.
fission-uranium
Fission de l’uranium

Désintégration

Un autre phénomène peut également modifier le nombre de protons d’un atome, il s’agit de la désintégration spontanée.

La plupart des atomes de la nature sont stables : s’ils ne reçoivent pas un apport d’énergie important, ils restent dans leur état indéfiniment. Toutefois, il peut se former des atomes avec un nombre de neutrons plus grand que la normale. On appelle ces atomes des isotopes.

Par exemple, un atome de carbone normal est constitué de 6 protons, 6 neutrons et 6 électrons orbitant autour du noyau [1]. Il arrive néanmoins que certains phénomènes produisent un atome contenant 6 protons et 8 neutrons.

Le noyau contient toujours 6 protons : il s’agit donc toujours, par définition, d’un atome de carbone. Mais deux neutrons supplémentaires se sont glissés dans le noyau. En comptant le nombre de nucléons (protons + neutrons) on trouve 14 au lieu de 12 d’où le nom de carbone 14.

carbone14
Carbone 12 à gauche : 6 protons (en rouge) et 6 neutrons (en gris)
Carbone 14 à droite : 6 protons et 8 neutrons

Ce nouveau type de carbone est instable. Il peut se désintégrer à tout moment en émettant d’autres particules : on dit qu’il est radioactif.

Le carbone 14 se désintègre en de l’azote tout en émettant un électron et un neutrino. La réaction s’écrit :

{}^{14}_6C\rightarrow {}^{14}_7N+e^-+\bar\nu_e

Les indices 14 et 6 à gauche du symbole C pour carbone signifient que le carbone contient 6 protons et 14 nucléons (donc 14-6=8 neutrons).

Les indices 14 et 7 à gauche du symbole N pour azote signifient que l’azote contient 7 protons et 14 nucléons (donc 14-7=7 neutrons).

On est passé de {6 protons et 8 neutrons} à {7 protons et 7 neutrons} : un neutron s’est donc transformé en proton. Au cours du processus, un électron  e^-  est émis ce qui permet la conservation de la charge électrique (le proton est chargé positivement et le neutron est de charge nulle). Est également émis un anti-neutrino \bar\nu_e  ce qui permet la conservation de la quantité de mouvement [2].

désintégration-C14
Désintégration du carbone 14 en azote. La transformation inverse se fait régulièrement dans l’atmosphère si un neutron entre en collision avec un noyau d’azote.

Loi de décroissance radioactive

Cette désintégration se fait de manière aléatoire et sans cause. Un atome de carbone 14 a une chance sur deux de se désintégrer pendant une période de 5700 ans. Cette durée est appelée la demi-vie et dépend de l’atome radioactif considéré. Elle correspond au moment où il ne reste plus que 50% d’atomes encore intacts, les autres s’étant désintégrés.

demi-vie-C14
Le nombre d’atomes restant (N) diminue en fonction du temps. Au bout d’un temps égal à la demi-vie, la moitié a disparu.

La plus courte demi-vie connue est celle de l’hydrogène 7 :  2.10^{-27}s.

La plus longue est celle du xénon 124 :  1,8.10^{22}  ans.

Toutes les courbes de désintégration ont la même allure. Si on trace le nombre d’atomes encore présents en fonction du temps, on obtient une exponentielle décroissante de pente plus ou moins forte.

demi-vie

Principe de la datation

Tant qu’un organisme est vivant, il échange en permanence ses atomes de carbone avec ceux de l’atmosphère et des océans. La proportion de carbone 14 est donc la même que celle de l’atmosphère : ceux qui se désintègrent sont remplacés par de nouveaux atomes venant de l’environnement.

Cette proportion déjà très faible, de l’ordre de  10^{-12} , se met à décroître exponentiellement dès que l’organisme meurt. En effet, les échanges avec l’atmosphère s’arrêtent et le processus de désintégration fait disparaître peu à peu les atomes radioactifs.

En mesurant la proportion de carbone 14 restant dans un fossile, on déduit la durée qui s’est écoulée depuis sa mort. Si la proportion est de 50%, cette durée est égale à la demi-vie du carbone 14 soit 5700 ans. Si elle est de 25%, la durée vaut deux fois la demi-vie donc 11.400 ans. Si elle est de 12,5%, on trouve trois demi-vies : 17.100 ans etc.

Au-delà de 50.000 ans, la proportion de carbone 14 devient trop faible pour que la méthode soit applicable et on doit recourir à d’autres types d’atomes radioactifs, par exemple l’uranium 234 qui est utilisé pour les datations allant jusqu’à 500.000 ans.

Ajustements

Cette méthode, mise au point par Willard Libby en 1950, doit néanmoins être ajustée. Premièrement, les isotopes n’interviennent pas tout à fait de la même manière dans les réactions chimiques, ce qui fait que le rapport C14/C12 des organismes est légèrement inférieur à celui de l’atmosphère. Il faut également prendre en compte

  • les variations du rayonnement cosmique qui, s’il augmente, produit davantage de carbone 14 dans l’atmosphère
  • l’ajout de carbone fossile dans l’air dû à la révolution industrielle
  • les essais nucléaires
  • le temps d’intégration du carbone dans les océans : le carbone de l’océan est plus vieux de 400 ans que celui de l’atmosphère
  • l’effet vieux bois : si un morceau de bois provient d’un arbre millénaire, la datation change selon qu’il provienne des branches ou du cœur de l’arbre
  • l’enrichissement local en atomes radioactif dû aux eaux dures, au volcanisme…

 

Suivez Livres et Science sur Facebook !

 

[1]

Dans la vision moderne de l’atome, on abandonne le modèle planétaire et les électrons occupent des orbitales atomiques.

[2]

Pour tout phénomène symétrique par translation dans l’espace, la quantité de mouvement de l’objet observé est une grandeur qui reste constante au cours du temps. Cette quantité de mouvement notée p (aussi appelée impulsion) est égale au produit de la masse de l’objet par sa vitesse : p=m.v.