Quand la physique nucléaire fait parler les momies

Non, la radioactivité n’est pas un vilain mot. C’est la propriété qu’ont beaucoup d’éléments naturels de se désintégrer, c’est-à-dire de disparaître au cours du temps en se changeant en d’autres éléments plus stables.

Le tableau périodique des éléments. (Antonio Ciccolella/Wikimedia, CC BY)

Un atome est composé d’un noyau atomique autour duquel gravitent des électrons. Le noyau est formé de protons et neutrons en nombre croissant quand on gravit la table de Mendeleiev. Par exemple le noyau de l’élément hydrogène est formé d’un seul proton tandis que le carbone comprend six neutrons et six protons. L’uranium possède 92 protons et un nombre variable de neutrons autour de 146. Certaines associations sont stables, elles vivent éternellement, sans prendre une ride au cours du temps, d’autres sont instables, elles sont appelées radioactives.

La désintégration radioactive

Dans un lot de particules instables, le nombre de désintégrations observées, à un moment donné, sera proportionnel au nombre de particules initialement présentes qu’on note No.

C’est la règle du bon sens, et l’on trouve que l’échantillon décroît exponentiellement en fonction du temps, ce qui s’écrit : N=Noexp(-t/T).

Le paramètre T, ainsi défini, est appelé vie moyenne de l’élément considéré. D’après les propriétés de la fonction exponentielle, T ne dépend pas du temps 0 choisi. Aujourd’hui ou demain donne le même résultat, bien que le lot ait diminué entre temps. Plutôt que d’utiliser T on préfère souvent introduire la période ou demi-vie τ qui est par définition le temps au cours duquel l’échantillon perd la moitié de sa population. Si l’on contrôle ainsi l’évolution d’une population, il est en revanche impossible de prédire à quel instant une particule choisie au hasard va se désintégrer. Le phénomène est aléatoire. Cette propriété très particulière qu’on rencontre en physique microscopique va à l’encontre de ce qu’on apprend en physique classique.

Décroissance radioactive en fonction du temps. (Augustin Bariant, CC BY)

L’espérance de vie peut être très longue ; c’est le problème du stockage des déchets provenant de centrales nucléaires qui peuvent vivre des millions ou milliards d’années. Certains exemples d’éléments radioactifs sont fameux. Le radium 226, cher à Mme Curie, comporte 88 protons et 138 neutrons, il a une vie moyenne de 1600 ans. L’uranium naturel 238 vit beaucoup plus longtemps, 4,47 milliards d’années. Les atomes d’uranium trouvés aujourd’hui dans la croûte terrestre sont présents depuis la formation de notre planète, il y a 4,5 milliards d’années. Dans le passé, la proportion d’uranium était donc sensiblement plus élevée.

À l’opposé, il y a des éléments très instables vivant quelques minutes ou quelques heures et ils sont utilisés en médecine nucléaire pour contrôler et soigner les cancers du corps humain. De tels éléments n’existent pas à l’état naturel et pour cause, il faut les produire et certains hôpitaux sont dotés d’un accélérateur dédié. Il existe aussi des éléments à périodes intermédiaires et ici une idée astucieuse est mise à profit pour faire parler le temps jadis par datation d’artefacts très anciens comme des momies.

L’horloge carbone 14

Le noyau de carbone est composé de 6 protons et 6 neutrons, c’est la version stable de l’élément qu’on écrit 12C, mais il en existe aussi des versions radioactives. C’est toujours le nombre de protons présents dans un noyau qui donne ses propriétés a un élément. En fait le nombre de protons équilibre le nombre d’électrons orbitant qui sont responsables des liaisons chimiques. Ainsi le carbone est caractérisé par six électrons. Le nombre de neutrons n’influence plus les propriétés « externes » et donc le carbone pourra présenter 6 neutrons, mais aussi 4, 5, 7 ou 8. On parle d’isotopes. Plus on s’éloigne de l’égalité, plus le composé obtenu est instable. Il se trouve que la version avec huit neutrons et donc 14 nucléons, qui s’écrit 14C, présente une période de 5730 ans. Il se désintègre en émettant un électron qu’on peut reconnaître.

Avec un tel temps caractéristique, ce radiocarbone aurait depuis longtemps disparu s’il n’était produit en permanence dans notre environnement. Dans la haute atmosphère, des réactions nucléaires initiées par le bombardement incessant des rayons cosmiques qui nous proviennent du fond du ciel, produisent un flux de neutrons libres. Ces neutrons peuvent réagir avec l’azote de l’atmosphère pour former le radiocarbone 14C. Le 14C ainsi produit réagit rapidement avec l’oxygène pour former du CO2(dioxyde de carbone), tout comme le carbone normal.

Étant radioactif, le 14C disparaît, mais la désintégration est compensée par la production continue et les deux phénomènes contraires s’équilibrent pour donner un rapport 14C/12C qui se maintient au niveau constant de 1,12 10-12.

Ce CO2 radioactif circule dans toute l’atmosphère et se dissout dans les océans. Il interagit également avec la biosphère. Les plantes l’assimilent par photosynthèse tandis que les végétaux sont mangés par les animaux. Par la respiration et l’absorption de nourriture, ce carbone instable entre dans le cycle de la vie. Il se retrouve donc piégé dans les corps vivants. Il y a présence dans tout organisme de radiocarbone en infime proportion ; nous sommes nous-mêmes radioactifs !

Willard Frank Libby, chimiste et père de la datation au Carbone 14. (http://inovatifkimyadergisi.com)

Les organismes marins l’assimilent également dans les océans. Le rapport 14C/12C est considéré comme uniforme dans l’atmosphère, la surface des océans et la biosphère en raison des échanges permanents entre les organismes vivants et leur milieu. De plus, on suppose que le flux de rayons cosmiques est resté constant sur une longue période de temps. Par conséquent, le taux de production du radiocarbone est constant, donc aussi le rapport 14C/12C dans tout notre environnement.

En première approche, on peut considérer que tant qu’une plante ou un animal est vivant, son organisme échange du carbone avec son environnement si bien que le carbone qu’il contient aura la même proportion de 14C que le reste de la biosphère. Lorsque l’organisme meurt, il n’assimile plus de 14C et celui qu’il contient va se désintégrer petit à petit.

À la mort d’un organisme, tout échange avec le milieu extérieur cesse, il n’absorbe plus de carbone 14, mais le radiocarbone initialement présent reste « piégé » et sa quantité se met à décroître exponentiellement. Ainsi on peut définir une « horloge carbone » qui se met en marche à la mort. La teneur diminue d’un facteur 2 après chaque 5 730 ans passés. En mesurant le rapport 14C/12C, on peut donc assigner le moment de la mort et en déduire l’âge correspondant, c’est ce qu’on appelle la datation par le 14C.

Quand elle fut mise au point par Libby dans les années 1940, la datation par le carbone 14 passait par la mesure de la radioactivité d’échantillons pris sur les objets à étudier. Le rapport 14C/12C peut être connu indirectement en comptant le nombre de désintégrations par unité de temps et par unité de masse de carbone pris sur l’échantillon. Les désintégrations sont signées par l’émission d’un électron caractéristique. La technique est délicate du fait de la faiblesse du signal : la proportion de 14C reste très faible dans l’objet analysé, surtout après quelques milliers d’années de désintégration, et le bruit de fond venant de la radioactivité ambiante et des rayons cosmiques parasite la mesure.

Une méthode plus moderne consiste à mesurer directement le nombre d’atomes 14C parmi les 12C en séparant les atomes d’après leur masse. C’est la spectrométrie de masse qui sélectionne un à un les exemplaires restants. Cette mesure du rapport 14C/12C est aujourd’hui privilégiée car elle permet de dater des échantillons beaucoup plus petits, moins d’un milligramme contre plusieurs grammes de carbone auparavant, et beaucoup plus rapide, en moins d’une heure contre plusieurs jours. Le carbone extrait de l’échantillon est d’abord transformé en graphite, puis en ions qui sont accélérés par une tension électrique. Les différents isotopes du carbone sont ensuite séparés grâce au champ magnétique d’un aimant, ce qui permet de compter séparément les ions de 14C et de 12C.

Des momies aux bisons

Passons aux travaux pratiques. La technique fut utilisée pour dater le Saint Suaire de Turin. On trouva un âge d’environ 500 ans. La méthode n’est pas très adaptée dans ces conditions puisque ce temps correspond à moins de 1/10ième de la période. Moins de 10 % du 14C a disparu et donc le rapport n’est pas très éloigné du rapport de départ. En conséquence, l’incertitude est relativement grande. On voit ainsi que la méthode s’applique pour des temps avoisinant la période, c’est-à-dire pour des artefacts de l’histoire égyptienne. Ainsi une momie du pharaon égyptien Toutankhamon fut datée de 3 300 ans avant la date de la mesure, et la momie de la marquise chinoise « Lady Dai » Xin Zhui de 2 200 ans. Un corps retrouvé dans un glacier des Alpes, nommé Ötzi, est beaucoup plus ancien. On trouva un âge de 5 250 ans correspondant à 47 % des atomes de 14C déjà désintégrés.

Reconstruction de la momie Otzi au Musée de Préhistoire de Quinson, Alpes-de-Haute-Provence. (Wikipedia/Quison, CC BY)

Attention, ces mesures quoique très précieuses sont affectées d’incertitudes conséquentes, non seulement du fait de statistiques limitées, en principe on ne veut pas endommager l’objet analysé, mais aussi du fait des hypothèses adoptées dans la technique. En effet, une erreur peut s’introduire si la teneur en 14C de l’air connaît des variations. Cela se produit lorsque le rayonnement cosmique ou le champ magnétique terrestre change.

Le point zéro à partir duquel est mesuré le temps écoulé depuis la mort de l’organisme est conventionnellement fixé à 1950, et dans les calculs on maintient un niveau de radiocarbone égal à celui de 1950. Depuis cette époque, le rejet de dioxyde de carbone provenant de combustibles fossiles, charbon et pétrole, qui ne contiennent pratiquement plus de 14C, a modifié la signature isotopique dans les trois réservoirs, atmosphère, océans et biosphère. Toutefois, ces phénomènes récents qui courent sur peu d’années, n’ont pas d’impact sur la datation d’objets anciens, dont le rapport 14C/12C ne dépend que de leur âge, et du taux de 14C à la date de leur arrêt d’activité biologique.

Les échantillons vieux de plus de 50 000 ans sont difficilement datés au 14C, car le rapport 14C/12C est trop faible pour être mesuré par les techniques actuelles ; la technique n’est relativement précise que pour des âges inférieurs à 35 000 ans. Des dessins rupestres de la grotte de Niaux dans l’Ariège sont datés à 13 000 ans. Les profils de bisons sur les parois utilisaient du charbon de bois, issu de la combustion de bois et donc ici aussi la méthode s’applique.

Francois Vannucci, Professeur émérite, chercheur en physique des particules, spécialiste des neutrinos, Université Paris Diderot – USPC

La version originale de cet article a été publiée sur The Conversation.

 
 
 
 

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