thumb|Dispositif de datation au carbone 14 dans le musée archéologique du lac de Paladru. La datation au carbone 14, dite également datation au radiocarbone ou datation par comptage du carbone 14 résiduel, est une méthode de datation radiométrique fondée sur la mesure de l'activité radiologique du carbone 14 contenu dans la matière organique dont on souhaite connaître l'âge absolu, c'est-à-dire le temps écoulé depuis la mort de l'organisme (animal ou végétal) qui le constitue.
Le domaine d'utilisation de cette méthode correspond à des âges absolus de quelques centaines d'années jusqu'à, et au plus, .. L'application de cette méthode à des événements anciens, tout particulièrement lorsque leur âge dépasse (préhistoriques), a permis de les dater beaucoup plus précisément qu'auparavant. Elle a ainsi apporté un progrès significatif en archéologie et en paléontologie.
Historique
En 1939, Martin Kamen et Samuel Ruben commencent au laboratoire national Lawrence-Berkeley des expériences pour déterminer si l'un des éléments communs dans la matière organique avait des isotopes avec des demi-vies suffisamment longues pour être utiles à la recherche biomédicale. Ils synthétisent ainsi pour la première fois le carbone 14, dans le cyclotron du laboratoire... , alors employé à l'institut Franklin de Philadelphie, découvre la même année que le bombardement de la haute atmosphère par les rayons cosmiques produit des neutrons, et prédit que la réaction des neutrons thermiques avec l'azote 14, prédominant dans l'atmosphère, devrait produire du carbone 14..
Au cours de la Seconde Guerre mondiale, Willard Libby, qui était alors à Berkeley, prit connaissance des recherches de Serge A.Korff et en fut inspiré pour des utilisations possibles du carbone 14.
En 1949, Willard Frank Libby réalise la première datation au carbone 14. L'appellation BP () prend alors tout son sens : c'est l'histoire avant 1950. Il s'agissait d'une datation sur deux échantillons de bois venus de tombes égyptiennes dont l'âge, bien établi par les archéologues, est d'environ ..
En 1960, il reçoit le prix Nobel de chimie pour le développement de cette méthode.
Le principe physique de base est resté le même au fil des décennies mais une nouvelle méthode, précise mais d'un usage non généralisable à toutes les époques, a été proposée dans les années 2010 en lien avec la dendrochronologie. Il consiste lorsque l'on dispose d'échantillons en bois à reconnaître les cernes de croissance formés lors de rares pics d'isotopes cosmogéniques dont le carbone 14 appelés événements de Miyake tels que le pic de carbone 14 de 993-994 ou celui de 774-775, disponible en accès libre..
Principe vignette| redresse=1.2| Cycle du carbone 14. Le carbone 14 ou radiocarbone est un isotope radioactif du carbone dont la période radioactive (ou demi-vie) est égale à selon des calculs relevant de la physique des particules datant de 1961. Cependant, pour les datations on continue par convention d'employer la valeur évaluée en 1951, de ..
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 C () que dans la biosphère. Lorsque l'organisme meurt, il ne reçoit plus de C et celui qu'il contient va se désintégrer peu à peu. En deuxième approche, on considère qu'à cause du fractionnement isotopique survenant lors de la photosynthèse, le rapport isotopique C/C de l'organisme est inférieur de quelques pour cent à celui de la biosphère. Durant sa vie, la proportion de C présent dans l'organisme par rapport au carbone total (C, C et C) est donc aisément rapportable à celle existant dans l'atmosphère du moment.
La datation au carbone 14 se fonde ainsi sur la présence dans tout organisme de radiocarbone en infime proportion (de l'ordre de pour le rapport C/C). À partir de l'instant où un organisme meurt, la quantité de radiocarbone qu'il contient ainsi que son activité radiologique décroissent au cours du temps selon une loi exponentielle. Un échantillon de matière organique issu de cet organisme peut donc être daté en mesurant soit le rapport C/C avec un spectromètre de masse, soit son activité après la mort de l'organisme.
Origine du radiocarbone naturel Le radiocarbone naturel circule dans trois réservoirs : l'atmosphère, les océans et la biosphère.
Avec une période radioactive de , le radiocarbone aurait depuis longtemps disparu de la biosphère s’il n’était produit en permanence.
Dans la haute atmosphère, des réactions nucléaires initiées par le rayonnement cosmique (spallation) produisent un flux de neutrons libres. Après avoir été ralentis par collision avec les molécules de l'air, les neutrons dans une certaine gamme d'énergie cinétique réagissent avec l'azote pour former du radiocarbone, selon l'équation bilan : + ⟶ + .
Cette réaction est privilégiée du fait que l’azote constitue 78,11 % de l’atmosphère de la Terre. C'est entre , à des latitudes géomagnétiques élevées, que la production de radiocarbone a principalement lieu..
L'atome de radiocarbone ainsi produit réagit rapidement avec l'oxygène pour former du dioxyde de carbone.
Ce gaz circule dans toute l'atmosphère et se dissout dans les océans pour former des carbonates. Du radiocarbone circule donc aussi dans les océans.
Le dioxyde de carbone réagit également avec la biosphère. Les plantes assimilent ainsi du radiocarbone dans l'atmosphère par photosynthèse et elles sont mangées par les animaux. Les organismes marins assimilent également le radiocarbone présent dans les océans. Le radiocarbone se répand donc dans la biosphère tout au long de la chaîne alimentaire.
Le rapport C/C 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 constant sur une longue période de temps (première approximation). Par conséquent, le taux de production du radiocarbone est constant, donc le rapport C/C dans l’atmosphère, la surface des océans et la biosphère est constant (le nombre d’atomes produits égale le nombre d’atomes qui se désintègrent).
À la mort d'un organisme, tout échange avec le milieu extérieur cesse mais le radiocarbone initialement présent reste « piégé » et sa quantité se met à décroître exponentiellement selon le processus de la décroissance radioactive, ce qui permet de savoir depuis combien de temps l'organisme est mort.
Mesure de l'âge d'un échantillon de matière organique La désintégration radioactive du carbone 14 obéit à une loi de décroissance exponentielle caractérisée par sa demi-vie. Dater un échantillon de matière organique consiste à mesurer le rapport C/C (ce qu'il reste de radiocarbone naturel à la suite de la désintégration) et à en déduire son âge. Le rapport C/C est mesuré soit indirectement par la mesure de l'activité spécifique (nombre de désintégrations par unité de temps et par unité de masse de carbone) due au radiocarbone naturel qui est proportionnelle au rapport C/C, soit directement par spectrométrie de masse.
Quand elle fut mise au point par Libby à la fin des années 1940, la datation au carbone 14 passait par la mesure de la radioactivité des échantillons ce qui était délicat du fait de la faiblesse du signal (il y a peu d’atomes de radiocarbone dans l’échantillon analysé, surtout après quelques milliers d’années, et encore moins qui se désintègrent) et du bruit de fond (radioactivité naturelle, rayons cosmiques).
Aujourd’hui, la mesure directe du rapport C/C par spectrométrie de masse est privilégiée car elle permet de dater des échantillons beaucoup plus petits (moins d’un milligramme contre plusieurs grammes de carbone auparavant) et beaucoup plus vite (en moins d’une heure contre plusieurs jours ou semaines). Le carbone extrait de l'échantillon est d'abord transformé en graphite, puis en ions qui sont accélérés par la tension générée par un spectromètre de masse couplé à un accélérateur de particules. Les différents isotopes du carbone sont séparés grâce au champ magnétique généré par un aimant, ce qui permet de compter les ions de .
Les échantillons vieux de plus de ne peuvent être datés au carbone 14, car le rapport C/C est trop faible pour être mesuré par les techniques actuelles ; les résultats ne sont relativement précis que pour les âges inférieurs à .
La méthode la plus courante de datation consiste à déterminer la concentration de radiocarbone (c’est-à-dire le rapport C/C) d'un échantillon à l'instant de mesure ; l'âge de l'échantillon est alors donné par la formule : où est la concentration de radiocarbone de l'échantillon à l'instant de la mort de l'organisme d'où provient l'échantillon () et la constante radioactive du ().
Période radioactive conventionnelle L'âge carbone 14 conventionnel d'un échantillon de matière organique est calculé à partir d'une période conventionnelle de , calculée en 1950 à partir d’une série de mesures. Depuis, des mesures plus précises ont été réalisées, et donnent une période de , mais les laboratoires continuent à utiliser la valeur « conventionnelle » pour éviter les confusions.
Les résultats sont donnés en années « » (BP). Le point zéro (à partir duquel est mesuré le temps écoulé depuis la mort de l'organisme dont cette matière est issue) est fixé à 1950, en supposant un niveau de radiocarbone égal à celui de 1950. Depuis, le rejet de dioxyde de carbone provenant de combustibles fossiles (qui ne contiennent pratiquement plus de C) a modifié la signature isotopique de l'atmosphère.
Courbes d'étalonnage thumb|300px|alt=Étalonnage d'une datation|Étalonnage d'une datation au carbone 14.
À partir du début des années 1960, le problème se pose de certaines divergences systématiques observées entre l'âge d'échantillons estimé par la datation au et par l'archéologie ou la dendrochronologie..
Le flux de rayons cosmiques à l'origine de la formation du carbone 14 peut être supposé constant en première approximation, mais la recherche spatiale a montré que le flux reçu dans la haute atmosphère terrestre varie en raison de l'évolution du champ magnétique terrestre et du champ magnétique solaire. Ceci explique que le taux de production du radiocarbone naturel ait varié au cours du temps.
Le rejet massif de carbone fossile dans l’atmosphère par l’industrie et les transports a également modifié la quantité totale de carbone dans les trois réservoirs (atmosphère, océans et biosphère) et sa composition isotopique. Enfin, durant les années 1950 et 1960, on a pensé que les essais nucléaires étaient la cause du presque doublement de la quantité de radiocarbone dans l’atmosphère. Ces phénomènes récents n'ont cependant pas d'impact sur la datation d'objets anciens, dont le rapport C/C ne dépend que de leur âge, et du rapport C/C à la date de leur fin d'activité biologique.
En conclusion, le rapport C/C dans la biosphère n'est pas constant dans le temps. Il est donc nécessaire de construire des courbes d'étalonnage en confrontant les datations obtenues grâce au et les datations par d’autres méthodes telles que la dendrochronologie.
Ces courbes permettent, connaissant « l'âge carbone 14 conventionnel » d’un échantillon, de trouver la date correspondante dans notre calendrier (« âge calibré »).
Autres corrections vignette|alt=Influence des essais nucléaires sur la concentration atmosphérique en C-14|Influence des essais nucléaires atmosphériques (1950-1970 pour l'essentiel) sur la concentration atmosphérique en 14C. Les essais nucléaires atmosphériques ont pratiquement doublé la concentration du C-14 dans l'atmosphère de l'hémisphère nord, avant que les niveaux ne se réduisent à la suite du traité d'interdiction partielle des essais nucléaires. Un mur construit en 1950 apparaîtra daté de l'an ~ pour des archéologues du futur.