Institut français
d’archéologie orientale - Le Caire

Méthode

La datation par le carbone 14: rappels théoriques

L’élément chimique carbone est l’un des composants principaux de tous les organismes vivants; il y est présent dans presque toutes les molécules qui combinent des atomes de carbone à des atomes d’oxygène, d’hydrogène, d’azote etc. Tout atome est formé d’un noyau, composé de protons (portant une charge électrique positive) et de neutrons et d’un nuage d’électrons qui gravitent autour du noyau. La charge électrique négative des électrons compense celle des protons. La gravitation des électrons est régie par les lois de la mécanique quantique: un électron ne rayonne pas d’énergie lorsqu’il décrit une orbite stable correspondant à une énergie donnée. Lorsque cet électron passe d’un état stationnaire à un autre, il acquiert ou perd de l’énergie. Dans ce dernier cas, il émet un rayonnement.
Un même élément chimique peut posséder des noyaux de configurations différentes, se distinguant par le nombre de neutrons. Ce sont les isotopes d’un même élément. Le carbone possède 3 isotopes:

  • le carbone 12 (stable): le noyau de l’atome est formé de 6 protons et 6 neutrons.
  • le carbone 13 (stable): le noyau de l’atome est formé de 6 protons et 7 neutrons.
  • le carbone 14 (instable): le noyau de l’atome est formé de 6 protons et 8 neutrons.

L’isotope 14C, instable, se transforme suivant la réaction:
146C >147N + ß- : il se forme de l’azote 14, stable, avec émission d’énergie sous forme d’un rayonnement ß-.
Dans l’atmosphère, les teneurs des isotopes du carbone sont approximativement les suivantes:

  • carbone 12 : 98,89%
  • carbone 13: 1,108%
  • carbone 14: 1,2.10-12%

La datation par le carbone 14: principe

Durant leur vie, plantes et animaux maintiennent des échanges continuels avec l’environnement, absorbent et transforment une partie du gaz carbonique (CO2) prélevé. La teneur en isotope 14 du carbone dans leur organisme est donc sensiblement égale à celle de l’atmosphère. Ces échanges cessent avec la mort. L’isotope 14, instable, se transforme selon la réaction exposée ci-dessus, de manière proportionnelle au temps. La moitié du 14C se désintègre en 5730 ans (temps appelé la "demi-vie" d’un isotope radioactif). On peut donc évaluer l’âge d’un échantillon en mesurant le taux d’isotope 14C présent dans la matière. Lorsque Willard Libby a mis au point, vers 1950, la méthode de datation par le radiocarbone, on estimait que la teneur de l’isotope 14 de l’atmosphère était constante à travers les âges. Ce point de vue a été révisé depuis. Il s’est donc avéré nécessaire de corriger les mesures par une calibration qui prend en compte cette variation. Une courbe de calibration a été établie par croisement d’âges obtenus par la méthode du radiocarbone avec les valeurs fournies par d’autres méthodes, essentiellement la dendrochronologie. Cette courbe est constamment révisée et affinée.

La datation par le carbone 14: les méthodes

Deux méthodes sont utilisées:

1. la méthode indirecte: mesure de la radioactivité à l’aide de compteurs à scintillation liquide.
2. la méthode directe: mesure directe de la teneur en isotope 14 à l’aide d’un accélérateur de particules couplé à un spectromètre de masse.

1. mesure de la radioactivité à l’aide de compteurs à scintillation liquide

C’est la méthode la plus ancienne, la plus simple à mettre en oeuvre et la plus pratiquée: on convertit l’échantillon en un composé dont on mesure la radioactivité ß. Après nettoyage des éventuelles pollutions, l’échantillon est brûlé. Lors de cette combustion le carbone est transformé en gaz carbonique (CO2). Purifié des autres substances issues de la combustion, ce gaz est d’abord transformé en acétylène (C2H2) puis en benzène (C6H6). C’est la radioactivité de ce benzène, qui ne peut être issue que du carbone de l’échantillon, qui est mesurée dans un compteur à scintillation liquide. Dans cet appareil, le rayonnement ß est converti en photons (en énergie lumineuse). C’est cette très faible "scintillation" qui est mesurée.

2. mesure à l’aide d’un accélérateur de particules et d’un spectromètre de masse (AMS: Accelerated Mass Spectrometry)

Après transformation en gaz carbonique ou en graphite, l’échantillon est ionisé par bombardement avec des ions Cesium. Après une première sélection des ions de même masse 14, le faisceau qu’ils forment dans l’instrument est accéléré, il entre en collision avec un gaz pour séparer les ions C3+. Ceux-ci sont accélérés dans la deuxième partie de l’appareil pour séparer et compter les ions 14C3+, 13C3+ et 12C3+.

Avantages et inconvénients des deux méthodes:

La méthode directe, par sa grande sensibilité, permet de mesurer des échantillons d’une masse en carbone inférieure au milligramme, soit mille fois moins que ce qui est exigé par la méthode indirecte. Pour les petits prélèvements, il n’y a donc pas véritablement de choix. Néanmoins, la mobilité des petites particules dans les sédiments et le grand rapport surface/poids ne permet pas d’identifier clairement les pollutions éventuelles dans de nombreuses situations. Cette méthode nécessite une instrumentation lourde. La méthode indirecte, par contre, autorise la même précision à condition de disposer d’un échantillon de volume suffisant.

The Method

Radiocarbon dating : what is Carbon 14?

 The chemical element carbon is one of the major components of all living organisms; it is present in almost all the molecules that combine carbon atoms to oxygen, hydrogen, nitrogen , etc. Each atom is composed of a nucleus, around which co-exists protons ( positively charged) , neutrons ( no charge) and a number of electrons (negatively charged). The negative electron charge compensates the positive charge of the protons. Quantic mechanic laws are responsible for the gravitation of the electrons around the nucleus: an electron does not emit energy when it follows a stable orbital path at a fixed given energy level. When this electron shifts jumps from a stationary state to another, it either acquires or looses energy. In this last case , it emits a ray.
The Same chemical element may possess different nucleus configurations, distinguishable through the number of neutrons. Those are called Isotopes. Carbon has three isotopes:

  • Carbon 12 (stable isotope) : its nucleus is formed of 6 protons and 6 neutrons.
  • Carbon 13 ( Stable isotope) : Its nucleus is formed of 6 protons and 7 neutrons.
  • Carbon 14 ( unstable Isotope) : Its nucleus is formed of 6 protons and 8 neutrons.

The isotope14C, , unstable, gets transformed according to the following reaction:
146C >147N + ß- : gets created nitrogen 14, stable, with an energy emission in In the atmosphere, the carbon isotope content distribution is approximately equivalent to

  • Carbon 12 : 98,89%
  • Carbon 13: 1,108%
  • Carbon 14: 1,2.10-12%

Datation by means of Carbon 14 : the principle

During their lifetime, plants and animals maintain continuous exchanges with their environment, absorbing and transforming a partial amount of the total Carbon dioxide (CO2) in their tissues. Therefore, the percentage content of the Carbon isotope 14 in their organism, would be sensibly equivalent to that of the atmosphere surrounding them, at the time of their existence. Those exchanges stop with the death of those living organisms. The Isotope 14, unstable, gets transformed through the reaction mentioned above, proportionally with time. Half of the14C desintegrated in 5730 years (time called the "half-life" of a radioactive element). We can , consequently, estimate the age of a sample by measuring the amount of 14C available in the matter. When Edward Libby by 1950, implemented the method of datation by use of radiocarbon, the content in Isotope 14 was estimated constant in the atmosphere through the ages. This has been revised since then. It has been necessary to correct those measurements, through a calibration method that takes this matter into consideration.  A calibration curve has been established through cross age observation between various means of measurements and the method of radiocarbon, and essentially by the dendrochronology method.This curve is constantly revised and affined.

Datation by means of Carbon 14 : the methods

Two methods are used:

1. The Indirect method : measurement of the radioactivity with liquid scintillation counters.
2. The Direct method : direct measurement of the isotope 14 content with an accelerator-mass spectrometer duetto instrumentation.

1. The Indirect method : measurement of the radioactivity with liquid scintillation counters.

The most preliminary method, the most simple and that was the most used: The samples get transformed into a compound which radioactivity is measured. After an appropriate pretreatment to eliminate eventual chronologically polluting elements, the sample is burned into a combustion chamber. During this combustion, carbon gets transformed into carbon dioxide (CO2).The sample gets purified from other combustion products and the carbon dioxide is then, transformed into acetylene (C2H2), and finally into benzene (C6H6) which 14C radioactivity is measured by means of a liquid scintillation counter. In that instrument, the ß rays are converted into photons (or light emission). It is that very slight scintillation that is measured.

2. The Direct method : direct measurement of the isotope 14 content with an accelerator-mass spectrometer duetto instrumentation(AMS: Accelerated mass Spectrometry).

Once the sample has been transformed into carbon dioxide or graphite, it is ionised by being collided with Cesium ions. After a first selection of ions of similar mass 14, the beam they form in the instrument is accelerated, until it collides with a gas in order to separate the C3+. Those are then accelerated in turn into the second part of the instrument for accurate separation of ions 14C3+, 13C3+ et 12C3+.

Advantages and disadvantages of both methods:

The Direct method, with its great sensitivity, allows measurement of weights in Carbon of less than a milligram, a thousand times less than that required by the indirect method. For the small samples, there is therefore no choice. However, the mobility of the little particules in the sediments and the great ratio between surface/weight, does not permit a clear identification of the polluting elements in many a situation. This method requires heavy instrumentation. The Indirect method, on the contrary, permits the same accuracy, bif the adequate sample weight is available.