Carbone 14

Le carbone 14, noté C, est l'isotope du carbone dont le nombre de masse est égal à 14 (c'est un isobare de la forme la plus commune de l'azote) : son noyau atomique compte  et  avec un spin 0+ pour une masse atomique de . Il est caractérisé par un excès de masse de  et une énergie de liaison nucléaire par nucléon de . Le  a longtemps été le seul radioisotope du carbone à avoir des applications. Pour cette raison, il était appelé radiocarbone.

Un gramme de carbone 14 pur présente une activité de . L'unique mode de désintégration est l'émission d'une particule β avec une chaleur de réaction de  en se transmutant en azote N ; avec une période radioactive de , selon la réaction :
 ⟶  + e + .

Sur Terre, le carbone 14 est formé lors de l'absorption de neutrons par des atomes d'azote de la stratosphère et des couches hautes de la troposphère et l’expulsion d'un proton :
 +  ⟶  + ,

que l'on résume en :
N (n, p) C.

Les neutrons proviennent de la collision des rayons cosmiques avec les noyaux d'atomes de l'atmosphère, principalement l'azote.

Applications 

L'application la plus connue du carbone 14 est la datation mais il est aussi utilisé comme traceur biologique ou plus récemment pour reconstituer l'évolution au cours des derniers millénaires du climat, du champ magnétique ou de l'activité solaire.

Une autre utilisation intéressante qui pourrait être exploité est la Batterie de diamant qui n'est encore qu'au stade de développement. En effet en réutilisant notamment les barres de contrôle en graphite des centrales à fusion, il est possible d'utiliser la désintégration et notamment le rayonnement bêta de cette dernière pour délivrer une puissance cependant très faible malgré une durée de vie extrêmement longue. Ces dernières ne sont donc en théories exploitables uniquement dans des domaines assez spécifique comme le spatial.

Découverte 
Le carbone 14 a été découvert le  par Martin Kamen du Radiation Laboratory et Samuel Ruben du département de Chimie de l'université de Californie à Berkeley.

Dès 1934, à Yale, Franz Kurie suggère l'existence du carbone 14. Il observe en effet que l'exposition d'azote à des neutrons rapides produit parfois dans une chambre à brouillard de Wilson une longue trace fine au lieu de la courte trace plus épaisse laissée par une particule alpha. Dès 1936, il est établi que les neutrons rapides réagissent avec l'azote pour donner du bore tandis que les neutrons lents réagissent avec l'azote pour former du . Ceci correspond à la « découverte au sens physique » du  par opposition à sa « découverte au sens chimique », c'est-à-dire sa production en quantité suffisante pour pouvoir mesurer une activité.

Kamen et Ruben collaborent à des recherches interdisciplinaires sur les traceurs biologiques dans le but de déterminer le produit initial de la fixation du dioxyde de carbone lors de la photosynthèse. L'utilisation du carbone 11 comme traceur est très difficile en raison de sa courte période radioactive (). Ruben essaye cependant de développer une technique d'étude de la photosynthèse : il fait pousser une plante en présence de dioxyde de carbone contenant du , la tue, puis sépare et analyse ses composants chimiques, avant que la radioactivité ne devienne indétectable, pour trouver quels composants contiennent le traceur. L'échec de cette technique stimule la recherche d'un autre isotope radioactif à plus longue période radioactive, le .

Une des principales sources de financement du Radiation Laboratory est la fabrication dans ses cyclotrons de radioisotopes pour la recherche biomédicale. À la fin de l'année 1939, Ernest Orlando Lawrence, directeur du Radiation Laboratory, est inquiet de la concurrence d'isotopes stables rares comme le , l' ou l' qui peuvent se substituer aux radioisotopes comme traceurs biologiques. Il offre à Kamen et Ruben un accès illimité aux cyclotrons de  pour rechercher des radioisotopes de périodes radioactives plus élevées pour les principaux éléments présents dans les composés organiques : hydrogène, carbone, azote ou oxygène.

Cette campagne de recherche systématique commence par le carbone. Kamen et Ruben bombardent du graphite avec des deutons (noyaux de deutérium). La faible activité qu'ils mesurent le , d'environ quatre fois le bruit de fond, confirme l'existence du  avec une période radioactive qui se révèle bien supérieure (plusieurs milliers d'années) à ce que prévoyait la théorie. Cette période radioactive très longue, et donc la faible activité du , explique pourquoi celui-ci n'a pas été découvert auparavant.

Kamen et Ruben constatent par la suite que la réaction de neutrons lents avec de l'azote pour donner du  est nettement plus productive que la réaction deuton-.

L'application du carbone 14 comme traceur biologique reste toutefois limitée par son coût de production, le cyclotron étant la seule source de neutrons disponible.

Après la Seconde Guerre mondiale, le développement des réacteurs nucléaires, qui utilisent le graphite comme modérateur, autorise la production massive de , dont l'emploi se répand dans tous les domaines de recherche biomédicale.

Le carbone 14 comme polluant

Accidents industriels 

En tant que radionucléide artificiel, le carbone 14 peut aussi quand il a été accidentellement ou volontairement libéré dans l'environnement être un polluant.  Ainsi, à titre d'exemple, en France, près d'un ancien laboratoire de la société Isotopchim au lieu-dit « le Belvédère de Ganagobie » ( au nord-ouest de Forcalquier, dans les Alpes-de-Haute-Provence), des arbres ont bioaccumulé (de 1989 à 1997) des quantités significatives de  provenant de rejets atmosphériques du laboratoire voisin qui produisait des marqueurs moléculaires radioactifs pour la chimie fine. L'IRSN a produit une fiche sur le 14C et l'environnement, après avoir évalué les conséquences radiologiques de deux hypothèses qui étaient : 
 le maintien du site en l'état, en particulier en laissant sur place les arbres et en continuant l’entretien du site qui est fait actuellement ;
 l’enlèvement total ou partiel des arbres contaminés.

Les conclusions de l'IRSN sont que maintenir sur place des arbres conduit à un risque radiologique infime pour les riverains (moins d’un centième de dose annuelle due au  présent naturellement dans l’environnement qui est de ), les conséquences pour les arbres ou l'écosystème étant difficiles à évaluer.

Des cas particuliers existent dont le  d'essais nucléaires ou d'accidents (la catastrophe de Tchernobyl en particulier) ayant été capté et piégé par des plantes annuelles près du lieu d'un accident ( Artemisia absinthium après l'accident de Tchernobyl), et surtout par des arbres, qui dans leurs racines et dans leurs cernes peuvent piéger ce 14C pendant toute leur durée de vie. Dans la partie la plus biodisponible de l'arbre, il est principalement localisé dans l'épaisseur de quelques cernes de croissance correspondant à l'époque de la contamination (bois formé durant quelques années, avant que le 14C n'ait eu le temps d'être dilué dans l'environnement) ; voir illustrations. Il peut être relargué lors d'incendies de forêt. Des années après, il pourra aussi repasser dans l'écosystème via les insectes xylophages et saproxylophages qui consommeront ces cernes « radiomarqués », ou les champignons qui le dégraderont.

Centrales électriques au charbon 
Les centrales au charbon n'émettent, compte tenu de l'âge de la houille, que du  (et du ) et diminuent légèrement la teneur en  dans l'atmosphère, les océans et à la surface terrestre. La radioactivité du charbon se trouve dans les cendres et est constituée principalement par celle de l'uranium, du radium et du thorium.

Essais nucléaires 

Après la Seconde Guerre mondiale et le premier usage de la bombe atomique, les nombreux essais nucléaires atmosphériques des années 1960 ont libéré une grande quantité de divers radionucléides et radioisotopes (dont le ) dans l'air ; assez pour doubler le taux normal de 14C de l'atmosphère, et par suite pour le faire augmenter dans la biomasse (et par suite dans la nécromasse).

L'écotoxicologie et la toxicologie nucléaire considèrent  que ce  s'est largement dilué dans l'air et les mers, et que la part du 14C artificiel n'est plus distinguable de celui circulant naturellement (dont dans la biomasse qui contient plus de cent fois plus de carbone que ce que contient tout l'air de la planète).

Le stock global de carbone 14 de la biomasse a presque partout retrouvé son niveau d’activité d'origine.

Les spécialistes (et l'IRSN en France) considèrent que .

Incidence sur la radiodatation 
Une conséquence de faibles rejets de carbone 14 dans l'environnement est de créer pour les chercheurs du futur des « anomalies » dans une datation par le carbone 14 faite sur les tissus ainsi marqués. Le  ajouté artificiellement aura pour effet de fausser les résultats de la datation en donnant des âges apparents plus bas que ce qu'ils sont réellement, pouvant aller jusqu'à afficher des âges apparents négatifs si le marquage en  est suffisamment important.

Inversement, la végétation le long des autoroutes et axes de grande circulation automobile présente un marquage négatif : le gaz carbonique métabolisé par cette végétation provenant majoritairement de combustibles fossiles, dont le  a disparu après quelques dizaines de milliers d'années, l'équilibre isotopique qui y est relevé peut correspondre à des datations de plusieurs milliers d'années, pour des plantes pourtant encore sur pied.

Radioactivité naturelle 
Avec le potassium 40, le carbone 14 constitue la deuxième source de radioactivité du corps humain.

Notes et références

Voir aussi

Bibliographie

Articles connexes 
 Carbone
 Isotopes du carbone
 Radioactivité
 Table des isotopes
 Datation par le carbone 14

Liens externes 

Isotope du carbone
Radioisotope
Isotope cosmogénique
Histoire de la chimie
Histoire de la physique