Pour les articles homonymes, voirCarbone 14 (homonymie) etC14 (homonymie).
| Nom | Carbone 14, radiocarbone |
|---|---|
| Symbole | 14 6C 8 |
| Neutrons | 8 |
| Protons | 6 |
| Présence naturelle | 1ppt |
|---|---|
| Demi-vie | 5 730 ± 40 ans[1] |
| Produit de désintégration | 14N |
| Masse atomique | 14,003241989(4)u |
| Spin | 0+[1] |
| Excès d'énergie | 3 019,893 ± 0,004 keV[1] |
| Énergie de liaison parnucléon | 7 520 keV[1] |
| Isotope cible | Réaction |
|---|---|
| 14 7N | (n, p) |
| Désintégration | Produit | Énergie (MeV) |
|---|---|---|
| β− | 14 7N | 0,156476 |
Lecarbone 14, noté14C, est l'isotope du carbone[2],[3],[4] dont lenombre de masse est égal à 14 (c'est unisobare de la forme la plus commune de l'azote) : sonnoyau atomique compte 6 protons et 8 neutrons avec unspin 0+ pour unemasse atomique de 14,003 241 99 g/mol. Il est caractérisé par unexcès de masse de3 019,89 keV et uneénergie de liaison nucléaire parnucléon de7 520 keV[1]. Lecarbone 14 a longtemps été le seulradioisotope du carbone à avoir des applications. Pour cette raison, il était appeléradiocarbone[5].
Un gramme de carbone 14 pur présente une activité de 164,9 GBq. L'unique mode de désintégration est l'émission d'uneparticule β avec unechaleur de réaction de156 keV en se transmutant en azote14N ; avec unepériode radioactive de 5 730 ± 40 ans, selon la réaction :
Sur Terre, le carbone 14 est formé lors de l'absorption deneutrons par des atomes d'azote de lastratosphère et des couches hautes de latroposphère et l’expulsion d'un proton :
que l'on résume en :
Les neutrons proviennent de la collision desrayons cosmiques avec lesnoyaux d'atomes de l'atmosphère, principalement l'azote.
L'application la plus connue du carbone 14 est ladatation mais il est aussi utilisé commetraceur biologique ou pour reconstituer l'évolution au cours des derniers millénaires duclimat, duchamp magnétique et de l'activité solaire[6].
Une autre application de la désintégration du carbone 14 pourrait être lesbatteries de diamant, encore au stade de développement. Il s'agirait de réutiliser lesbarres de contrôle engraphite descentrales nucléaires, enrichies encarbone 14, qui peuvent délivrer unepuissance extrêmement faible mais de durée de vie extrêmement longue. Cette application serait réservée à des domaines spécifiques comme lespacemakers et lespatial.
Le carbone 14 a été découvert le parMartin Kamen duRadiation Laboratory etSamuel Ruben du département de Chimie de l'université de Californie à Berkeley.
Dès1934, à Yale,Franz Kurie suggère l'existence du carbone 14. Il observe en effet que l'exposition d'azote à desneutrons 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. Dès1936, il est établi que les neutrons rapides réagissent avec l'azote pour donner dubore tandis que les neutrons lents réagissent avec l'azote pour former ducarbone 14. Ceci correspond à la « découverte au sens physique » ducarbone 14 par opposition à sa « découverte au sens chimique », c'est-à-dire sa production en quantité suffisante pour pouvoir mesurer uneactivité.
Kamen et Ruben collaborent à des recherches interdisciplinaires sur lestraceurs biologiques dans le but de déterminer le produit initial de lafixation du dioxyde de carbone lors de laphotosynthèse. L'utilisation ducarbone 11 comme traceur est très difficile en raison de sa courte période radioactive (21 minutes). Ruben essaye cependant de développer une technique d'étude de la photosynthèse : il fait pousser une plante en présence de dioxyde de carbone contenant ducarbone 11, 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, lecarbone 14.
Une des principales sources de financement du Radiation Laboratory est la fabrication dans sescyclotrons de radioisotopes pour la recherche biomédicale. À la fin de l'année1939,Ernest Orlando Lawrence, directeur du Radiation Laboratory, est inquiet de la concurrence d'isotopes stables rares comme lecarbone 13, l'azote 15 ou l'oxygène 18 qui peuvent se substituer aux radioisotopes comme traceurs biologiques. Il offre à Kamen et Ruben un accès illimité aux cyclotrons de 37 et 60 pouces 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 dedeutérium). La faible activité qu'ils mesurent le, d'environ quatre fois le bruit de fond, confirme l'existence ducarbone 14 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 ducarbone 14, 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 ducarbone 14 est nettement plus productive que la réactiondeuton-carbone 13.
L'application du carbone 14 comme traceur biologique reste toutefois limitée par son coût de production, le cyclotron étant la seulesource de neutrons disponible.
Après laSeconde Guerre mondiale, le développement desréacteurs nucléaires, qui utilisent le graphite comme modérateur, autorise la production massive decarbone 14, dont l'emploi se répand dans tous les domaines de recherche biomédicale.
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 sociétéIsotopchim au lieu-dit « le Belvédère de Ganagobie » (30 km au nord-ouest deForcalquier, dans lesAlpes-de-Haute-Provence), des arbres ontbioaccumulé (de1989 à1997) des quantités significatives decarbone 14 provenant de rejets atmosphériques du laboratoire voisin qui produisait des marqueurs moléculaires radioactifs pour lachimie fine. L'IRSN a produit une fiche[7] sur le14C et l'environnement, après avoir évalué les conséquences radiologiques de deux hypothèses qui étaient :
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 aucarbone 14 présent naturellement dans l’environnement qui est de 12 microsievert), les conséquences pour les arbres ou l'écosystème étant difficiles à évaluer[8].
Des cas particuliers existent[9] dont lecarbone 14 d'essais nucléaires ou d'accidents (lacatastrophe de Tchernobyl en particulier) ayant été capté et piégé par des plantes annuelles près du lieu d'un accident (ex. :Artemisia absinthium après l'accident de Tchernobyl)[9], et surtout par desarbres, qui dans leursracines et dans leurscernes peuvent piéger ce14C pendant toute leur durée de vie. Dans la partie la plusbiodisponible 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 le14C 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 lesinsectesxylophages etsaproxylophages qui consommeront ces cernes « radiomarqués», ou leschampignons qui le dégraderont.
Les centrales au charbon n'émettent, compte tenu de l'âge de lahouille, que ducarbone 12 (et ducarbone 13) et diminuent légèrement la teneur encarbone 14 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, duradium et duthorium.
Après laSeconde Guerre mondiale et le premier usage de labombe atomique, les nombreuxessais nucléaires atmosphériques des années 1960 ont libéré une grande quantité de divers radionucléides et radioisotopes (dont lecarbone 14) dans l'air ; assez pour doubler le taux normal de14C de l'atmosphère[10], et par suite pour le faire augmenter dans labiomasse[10] (et par suite dans lanécromasse).
L'écotoxicologie et latoxicologie nucléaire considèrent — hors quelques exceptions (voir plus bas) — que cecarbone 14 s'est largement dilué dans l'air et les mers, et que la part du14C 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[10]).
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« Les scénarios catastrophiques de bioaccumulation rencontrés dans le cas de toxiques comme le mercure ou le DDT sont donc exclus dans le cas ducarbone 14 »[10].
Une conséquence de faibles rejets de carbone 14 dans l'environnement est de créer pour les chercheurs du futur des « anomalies » dans unedatation par le carbone 14 faite sur les tissus ainsi marqués. Lecarbone 14 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 encarbone 14 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 decombustibles fossiles, dont lecarbone 14 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.
Avec lepotassium 40, le carbone 14 constitue la deuxième source de radioactivité du corps humain.
:| 1 | H | He | ||||||||||||||||||||||||||||||
| 2 | Li | Be | B | C | N | O | F | Ne | ||||||||||||||||||||||||
| 3 | Na | Mg | Al | Si | P | S | Cl | Ar | ||||||||||||||||||||||||
| 4 | K | Ca | Sc | Ti | V | Cr | Mn | Fe | Co | Ni | Cu | Zn | Ga | Ge | As | Se | Br | Kr | ||||||||||||||
| 5 | Rb | Sr | Y | Zr | Nb | Mo | Tc | Ru | Rh | Pd | Ag | Cd | In | Sn | Sb | Te | I | Xe | ||||||||||||||
| 6 | Cs | Ba | La | Ce | Pr | Nd | Pm | Sm | Eu | Gd | Tb | Dy | Ho | Er | Tm | Yb | Lu | Hf | Ta | W | Re | Os | Ir | Pt | Au | Hg | Tl | Pb | Bi | Po | At | Rn |
| 7 | Fr | Ra | Ac | Th | Pa | U | Np | Pu | Am | Cm | Bk | Cf | Es | Fm | Md | No | Lr | Rf | Db | Sg | Bh | Hs | Mt | Ds | Rg | Cn | Nh | Fl | Mc | Lv | Ts | Og |
| Formes allotropiques du carbone |
| ||||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Dérivés des formes allotropiques |
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| Carbone fossile | |||||||||||
| Autres formes | |||||||||||
| Isotopes | |||||||||||
