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mathématiques complémentaires (terminale) · Chapitre 9 · Application directe du cours

Problème — La datation au carbone 14

Lois à densité · niveau 2

Énoncé

Problème — La datation au carbone 14.

Le carbone est un isotope radioactif dont la demi-vie est de ans. Tant qu'un organisme est vivant, sa proportion de carbone reste constante ; à sa mort, elle décroît. La durée de vie d'un noyau, en années, suit une loi exponentielle.

  • Déterminer et l'espérance de vie d'un noyau.
  • Quelle proportion du carbone initial subsiste après ans ?
  • Un fragment d'os contient du carbone d'un os frais. Dater ce fragment.
  • Expliquer pourquoi l'espérance de vie d'un noyau ( ans) dépasse sa demi-vie ( ans), alors qu'il en meurt la moitié en ans.
  • Un noyau intact depuis ans est-il « plus fragile » qu'un noyau fraîchement formé ?
  • La méthode devient inutilisable en dessous d'un pour cent de carbone résiduel. Quelle est sa portée maximale ?

Corrigé

  • Paramètre et espérance. La demi-vie vaut , donc

  • Après dix mille ans. La proportion restante est :

Il reste environ du carbone initial.

  • Datation. On cherche tel que , donc

Le fragment a environ ans : il date de la fin du Paléolithique.

  • Pourquoi la moyenne dépasse la médiane. La demi-vie est la médiane de : la moitié des noyaux meurent avant. Mais l'autre moitié se répartit sur une durée illimitée, certains noyaux subsistant des dizaines de milliers d'années. Ces survivants tirent la moyenne vers le haut sans changer la médiane, et le rapport est toujours le même : .
  • Un noyau âgé. Non. Par absence de mémoire, sa durée de vie restante suit encore la même loi, d'espérance ans : il est exactement aussi « jeune » qu'un noyau neuf. Un noyau ne s'use pas, il se désintègre par accident quantique — et c'est précisément parce que la physique le garantit que le modèle exponentiel est ici pleinement légitime, à la différence d'un organe ou d'une pièce mécanique.
  • Portée de la méthode. On cherche tel que :

Au-delà de ans, il ne resterait que , soit : indétectable.

La datation au carbone couvre donc environ les dernières années. Au-delà, les géologues changent d'isotope — potassium-argon, uranium-plomb — dont les demi-vies se comptent en millions ou en milliards d'années, mais dont la loi est rigoureusement la même.

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