TEXTES ET DOCUMENTS POUR LA CLASSE

Vous êtes ici : Accueil > Vous êtes ici : Accueil > Tous les numéros > La radioactivité > Compléments

Abonnez-vous !

Sur 1 ou 2 ans, en France et Outre-mer ou à l'étranger, découvrez toutes les formules d'abonnement.

Pour toute demande d'information, contactez-nous.

Compléments

Au service de la santé (pp. 20-23)

Par Christian de Rouffignac, conseiller scientifique, ancien chef du département de biologie cellulaire et moléculaire (DSV) du CEA

Gel de séquence d’un brin d’ADN. Chaque trait correspond à plusieurs milliers de fragments de même longueur, se terminant par la même lettre, chacun ayant incorporé un atome de carbone 14 (14C). Chaque colonne révèle ainsi par ordre de longueur croissante tous les fragments de ce brin qui se terminent par un A, un C, un G ou un T. La séquence se lit ainsi, en commençant par le bas : ACACGATGTTTG…, et ainsi de suite.

Les multiples applications du carbone 14 (pp. 24-25)

Par Christophe Moreau, chercheur au laboratoire de marquage par le 14C (direction des sciences de la matière) du CEA

Les méthodes de mesure

Il existe deux méthodes de mesure :

  • dans la première, on compte la radioactivité émise par l’échantillon ;
  • dans la seconde, on calcule le nombre de carbone 14 (14C) restant.

La première méthode est celle qui a d’abord été utilisée. Les scientifiques disposent pour cela de plusieurs types d’appareils. Le compteur à carbone solide a été le premier mis au point. L’échantillon était introduit sous forme de carbone solide (graphite) étalé sur la paroi interne d’un cylindre ; un filament au centre était porté à haute tension.
Les scientifiques ont rapidement mis au point les compteurs proportionnels à gaz dans lesquels l’échantillon se présente sous forme de CO2 ou d’acétylène, plus facile à préparer et à introduire dans l’appareil.
Dans les compteurs à scintillation liquide, l’échantillon est un solvant – le plus souvent du benzène (4 ml = 3,52 g de carbone) – dans lequel on ajoute un « mélange scintillant », c’est-à-dire une molécule émettant des photons sous l’action des β- émis par les atomes de 14C. Deux photomultiplicateurs placés de part et d’autre de l’échantillon recueillent les photons et donnent ainsi l’activité radiocarbone de l’échantillon.
On obtient un spectre représentant le nombre de coups sur l’énergie ; on ne considère qu’une partie du spectre (entre 12 et 70 kiloélectronvolts) pour s’affranchir du bruit de fond de l’appareil et de la désintégration du tritium (3H).

La seconde méthode a été développée dans les années 1980 en s’appuyant sur les progrès de la physique nucléaire, qui permet de séparer et de compter d’infimes quantités de particules. L’appareillage, l’accélérateur à spectromètres de masse (AMS), est beaucoup plus lourd que les précédents, puisqu’il comporte des spectromètres de masse et un accélérateur, pour une dimension de plusieurs mètres. L’échantillon est introduit sous forme de CO2, mais, le plus souvent, sous forme de graphite.

La différence majeure entre ces deux méthodes de mesure, outre leur principe même, est la quantité de carbone nécessaire : au minimum 0,1 g pour la première méthode et quelques microgrammes pour la seconde. Cette évolution vers la miniaturisation des échantillons a permis d’être plus sélectif (échantillons hétérogènes), mais aussi de réduire le caractère destructif de cette méthode ; les objets d’art peuvent alors prétendre à une datation.

Les champs d’application

L’archéologie

Les occupations humaines laissent derrière elles des traces sous forme de strates qui vont se superposer les unes aux autres dans le temps. Ces couches sont parfois interrompues par des événements naturels soudains (crue de rivière, coulée sédimentaire, etc.), qui laissent aussi leurs traces. On arrive ainsi, après plusieurs centaines, milliers ou millions d’années, à une succession de strates que l’on nomme « stratigraphie » ; c’est la lecture de cette stratigraphie qui est la matière première de l’archéologue. Les artefacts trouvés dans ces couches et l’étude du terrain lui permettent d’émettre des hypothèses quant à la chronologie des occupations. Mais il arrive qu’aucun indice parlant ne soit présent. Il peut alors se mettre en quête d’indices utilisables par le radiocarbone : charbon, bois, graines, os, dents, corne, coquilles marines, etc.

La géologie

Pour étudier les vitesses de déposition des couches sédimentaires, et donc pouvoir reconstituer l’évolution d’un paysage ou d’un rivage, le géologue a besoin de repères chronologiques. Il réalise alors des carottages, d’où sont extraits les échantillons carbonés pouvant être datés : restes végétaux, bois, tourbe, charbon, etc.

L’environnement

La surveillance de l’environnement par prélèvement d’air et de particules atmosphériques est effectuée pour évaluer l’influence des activités humaines sur notre atmosphère : peu de 14C = présence de produits de combustion du pétrole, davantage de 14C = rejet de produits contenant ce radio-isotope (proximité de centrales nucléaires ou d’activités de marquage radioactif).

Les produits naturels et les produits de synthèse

Le remplacement de substances naturelles par des molécules de synthèse est fréquent depuis que l’on sait analyser la composition chimique des produits naturels et, surtout, depuis que l’on sait la reproduire à partir du pétrole.
Dans les industries alimentaires, cosmétique (la parfumerie, en particulier) et pharmaceutique, la loi surveille de façon très stricte l’emploi des produits synthétiques par l’intermédiaire de la direction générale de la Concurrence, de la Consommation et de la Répression des fraudes (DGCCRF). Or, il est parfois difficile de distinguer deux molécules identiques ayant des provenances différentes. La mesure du taux de radiocarbone dans l’échantillon est infaillible. En effet, un produit synthétique aura une teneur en 14C nulle du fait de son origine pétrolière (produit élaboré il y a plusieurs millions d’années et dont le 14C s’est désintégré depuis bien longtemps), alors qu’un produit naturel aura une teneur en 14C égale ou très proche de la teneur atmosphérique actuelle. C’est, en quelque sorte, un test « tout ou rien ».
C’est ainsi que l’on peut analyser des arômes alimentaires (frambinone, vanilline, maltol, etc.), des vinaigres (vinaigre de vin, par exemple, à ne pas confondre avec l’acide acétique de synthèse dont l’utilisation en alimentation est interdite en France) ou des huiles essentielles pour la parfumerie.

Les millésimes d’alcool

Le cas des millésimes d’alcool est un peu particulier, car il tient à la brusque augmentation du taux de radiocarbone qui s’est produite dans les années 1950. En effet, les essais nucléaires (bombes H) effectués en atmosphère dès 1945 ont doublé, en 1962, la quantité de radiocarbone dans l’atmosphère. L’arrêt des essais atmosphériques cette année-là a permis la décroissance progressive de ce taux grâce à l’absorption par les océans. On obtient donc une courbe avec une pente suffisante pour permettre, en mesurant le taux de 14C d’une plante qui a poussé dans ces années-là, de déterminer, avec une plage de deux à trois ans, quelle est la date précise de sa mort.
Cette méthode est particulièrement bien adaptée à la vérification des millésimes des alcools et des vins qui sont, eux aussi, sévèrement contrôlés.

Les expertises d’œuvres d’art

Sont concernées les pièces fournies par les musées, les antiquaires, les particuliers, parfois les archéologues. En général, leur caractéristique commune est qu’elles doivent être protégées de la destruction ; le prélèvement pour la mesure en 14C doit donc être le plus petit et le moins visible possible.
Le traitement chimique est souvent le même que celui effectué sur les autres échantillons, sauf dans le cas où la pièce a été traitée pour assurer sa conservation, comme les pièces de musée : trempage dans des polymères pour consolider l’objet, recollage, marquage, etc. Des produits qu’il est parfois difficile d’éliminer, mais qui sont des polluants très puissants pour le 14C. Des lavages à chaud, avec de l’eau ou des solvants organiques, sont parfois suffisants, et une vérification par analyse en infrarouge peut permettre de vérifier l’élimination de ces produits.

Étude de documents 4 (pp. 36-37)

Le temps en géologie

Par Sophie Ayrault, chercheure, et Philippe Bonte, conseiller scientifique au Laboratoire des sciences du climat et de l’environnement (LSCE) au CEA

Les analyses de spectrométrie gamma

La spectrométrie gamma est une technique de mesure directe et non destructive. Toutes les carottes sont transférées dans deux doubles coques cylindriques de 50 centimètres de longueur chacune. Au laboratoire, chacune est ouverte dans une pièce préalablement nettoyée à fond, et les tronçons sont découpés en tranches de 2 centimètres. Chaque tranche est pesée, émiettée (pas plus de 2 mm), puis séchée à l’étuve (à la température de 50 °C, pendant plus de 24 heures). On pèse à nouveau alors l’échantillon pour obtenir le poids sec total de chacune des tranches ; on en prélève ensuite une fraction afin de remplir les boîtes de comptage. Les détecteurs sont des cristaux de germanium hyperpur, refroidi à l’azote liquide.
Les photons gamma sont produits par la désintégration des radio-isotopes présents dans l’échantillon. En aboutissant sur le cristal de germanium, ils sont transformés en signaux électriques, qui sont amplifiés, identifiés par un codeur, puis stockés dans un analyseur qui classe et totalise le nombre de photons émis en fonction de leur énergie de désintégration. Un spectre gamma est ainsi obtenu, au sein duquel chaque raie énergétique est caractéristique d’un radio-isotope, et où la surface de chaque pic permet de quantifier l’ampleur de la présence de chacun au sein de l’échantillon. Par exemple, la présence du césium 137 (137Cs) se reconnaît facilement par un pic à 661 kiloélectronvolts (keV).
La précision de la mesure dépend de la géométrie de comptage (et donc de celle des boîtes), de l’activité de l’échantillon, du rendement du détecteur et du temps de comptage. La radioactivité présente dans les sols est généralement très faible ; il faut donc disposer de détecteurs performants pour utiliser les radio-isotopes gamma comme marqueurs du déplacement des particules du sol.