Willard Frank Libby
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Willard Frank Libby (Grand Valley (Colorado), 17 décembre 1908 - Los Angeles, 8 septembre 1980) est un physicien et chimiste américain, célèbre pour son rôle dans le développement de la méthode de datation au carbone 14, qui a révolutionné l'archéologie.
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[modifier] Biographie
Diplômé en Sciences (1931) de l'Université de Californie de Berkeley, Libby y soutient en 1933 une thèse de Doctorat sur la « Radioactivité des lanthanides ». Il demeure dans cet établissement comme chargé de cours, puis comme maître assistant jusqu'en 1941.
Durant les années 30, Libby fut le premier à construire un compteur Geiger-Müller aux États-Unis ; il conçut d'autres appareils pour la mesure des faibles radioactivités, notamment le compteur à grille en 1934.
Financé par une bourse de la Fondation Guggenheim, il travailla pendant la plus grande partie de l'année 1941 à l'Université de Princeton.
Après l'entrée en guerre des États-Unis, il travailla sur le projet Manhattan à l'Université de Columbia avec Harold Clayton Urey, lauréat d'un prix Nobel. Libby était responsable de la séparation et de l'enrichissement par diffusion gazeuse de l'uranium 235 utilisé pour la fabrication de la bombe atomique.
En 1945, il devint professeur à l'Université de Chicago. En 1954, il fut nommé membre de la Commission à l'énergie atomique des États-Unis.
En 1959, il devint professeur de chimie à l'Université de Californie de Berkeley, poste qu'il conserva jusqu'à sa retraite en 1976 ; jusqu'en 1963, il dispensa le cours de première année de chimie (traditionnellement réservé « à l'enseignant le plus ancien de l'université »).
En 1960, Libby reçut le Prix Nobel de chimie pour avoir dirigé l'équipe (le post-doctorant James Arnold et l'étudiant Ernie Anderson, avec une bourse de 5 000 $) qui développa la méthode de datation au carbone 14, très utilisée pour la datation d'objets en archéologie (jusqu'à 50 000 ans).
Il fut aussi directeur de l'Institut de Géophysique et de Physique Planétaire (IGPP) de l'Université de Californie pendant de nombreuses années. Il initia également en 1972 le premier programme d'ingénierie environnementale à l'Université de Californie à Los Angeles.
[modifier] Histoire de la découverte de la datation au carbone 14
Willard Frank Libby, considéré comme le père de la méthode de datation au carbone 14, aurait eu l'idée de cette méthode de datation en 1939, en lisant un article de Serge A. Korff.
- « Dès que j'ai lu le papier de Korff, sur sa découverte de neutrons dans les rayons cosmiques, c'est la datation au carbone ».
Cette déclaration de Libby respecte une figure traditionnelle de la découverte, une lumière soudaine jetée sur une question qui fait entrevoir d'un seul coup toute la solution. L'immédiateté de la découverte, telle qu'elle est décrite rétrospectivement par Libby, peut être mise en contraste avec le long processus qui aboutit à la datation au carbone 14.
[modifier] Les grandes étapes de la découverte
[modifier] Les ressources
1930 : Libby réalise le premier compteur Geiger-Müller construit aux États-Unis.
1934 : Libby met au point le compteur à grille pour mesurer de faibles radioactivités.
1940 : Martin Kamen et Samuel Ruben découvrent le carbone 14.
[modifier] Un projet gardé secret (1939-1947)
1939 : Naissance de l’idée de datation au carbone 14 lorsque Libby lit un article de S. A. Korff et W.E. Danforth, qui ont envoyé dans la stratosphère un compteur à neutrons placé à bord d'un ballon. Cette expérience montre que le flux de neutrons augmente plus vite avec l'altitude que le total des radiations.
juin 1946 : Lettre de Libby dans la Physical Review sur le tritium et le radiocarbone atmosphériques issus des rayons cosmiques. Libby prévoit une activité spécifique constante de la biosphère due à un rapport 14C/C total constant. Cette prédiction s'appuie sur la construction d’un modèle théorique de la distribution du radiocarbone naturel c'est-à-dire le modèle d'un système à trois réservoirs (l’atmosphère, les océans et la biosphère) dont les échanges s'équilibrent.
Dans cette lettre, il ne fait aucune allusion à la datation au carbone 14.
mai 1947 : Article dans la revue Science qui décrit l'expérience mettant à l'épreuve le modèle théorique de la distribution du radiocarbone naturel construit par Libby. Il révèle au grand public après huit ans de silence le projet de datation au carbone 14 en ces termes :
- « La découverte du carbone 14 produit par les rayons cosmiques a de nombreuses implications intéressantes dans les champs de la biologie, de la géologie et de la météorologie ; certaines d'entre elles sont en train d'être explorées, en particulier la détermination des âges de diverses matières carbonées dans le domaine compris entre 1000 et 30 000 ans ».
[modifier] Travail expérimental et première datation (1945-1949)
1945 : Libby est nommé professeur de radiochimie à l'Université de Chicago qui abrite le tout nouvel Institute for Nuclear Studies. C’est le début de la phase de travail expérimental nécessaire à la réussite du projet de datation au carbone 14. Dans son laboratoire, le 217 Jones Laboratory, deux jeunes chercheurs, Ernest C. Anderson et James R. Arnold, participent activement à cette phase qui peut être divisée en trois parties : test du modèle théorique d'une distribution uniforme et constante du radiocarbone naturel, perfectionnement des techniques de mesure de faibles radioactivités et détermination précise de la période radioactive du carbone 14.
1947 : L’équipe de Libby, avec l’aide d'Aristid von Grosse, mesure l'activité spécifique de la matière organique contemporaine due au radiocarbone naturel (dans des échantillons de méthane issus des égouts de Baltimore). C’est le premier test expérimental du modèle théorique de la distribution du radiocarbone naturel.
1949 : Première datation au carbone 14 de deux échantillons de bois venus de tombes égyptiennes dont l'âge, bien établi par les archéologues, est d'environ 4600 ans.
[modifier] Pourquoi Libby garde-t-il aussi longtemps secret son projet de datation au carbone 14 ?
Si l'on admet que l'idée de la datation au carbone 14 naît en 1939 à la lecture de l'article de Korff et Danforth, il est tentant d’imaginer un cheminement possible du raisonnement de Libby.
Cette reconstitution s'appuie sur les ressources dont Libby peut disposer en 1939 :
- Libby apprenant l'existence en quantité non négligeable de neutrons dans la haute atmosphère en déduit l'existence probable de radiocarbone naturel ;
- familier, grâce à ses liens avec Ruben, des recherches sur les traceurs biologiques et la photosynthèse, il imagine que la matière organique contient une partie de ce radiocarbone et est radioactive. Même si cette activité est faible, ses propres travaux lui donne bon espoir de pouvoir la mesurer ;
- de manière analogue à la datation radioactive de minéraux qui est une application naturelle de l'existence de roches radioactives, la datation au carbone 14 s'impose alors à l'esprit.
Libby garde totalement secret son projet de datation au carbone 14 jusqu'en 1946 et ne le révèle au grand public qu'en 1947. Pourquoi Libby garde-t-il aussi longtemps secret son projet de datation au carbone 14 ?
Selon Libby, l'idée de datation au carbone 14 n'est pas crédible. Il ne peut espérer être financé pour un tel projet. Il semble également que le manque de notoriété de Libby en 1939, lorsqu'il a l'idée de la datation au carbone 14, puisse expliquer pour partie son choix de garder cette idée secrète.
Pendant la Seconde Guerre mondiale, Libby voit son statut changer et en 1945, il est une des « stars » de l'équipe qui se forme au Institute for Nuclear Studies de Chicago.
En août 1940, Libby s'engage dans le projet Manhattan en intégrant le groupe de Harold Clayton Urey à l'Université Columbia dont l'une des missions est la mise au point d'une technique de séparation par diffusion gazeuse de l'uranium 235, isotope fissile de l'uranium 238. Le groupe de Urey se heurte à des problèmes persistants de barrière et de pompage. Il lui faut trouver, notamment, des matériaux compatibles avec le gaz très corrosif utilisé, l'hexafluorure d'uranium ou UF6.
Libby dirige une équipe chargée de ce problème de corrosion. L'étude chimique de l'hexafluorure d'uranium lui permet de découvrir les facteurs principaux de corrosion, ainsi que des matériaux suffisamment résistants pour permettre le passage au stade industriel.
Grâce à cette participation active au succès du Projet Manhattan, Libby acquiert une plus grande notoriété et des alliés, en particulier Grosse et Urey, qui sont des atouts majeurs pour la réussite de la datation au carbone 14. Juste après la guerre, il investit son crédit scientifique, qui lui assure un laboratoire à l'Université de Chicago, des moyens et des collaborateurs de qualité, dans la réalisation concrète de son projet. Il reçoit l'aide de Grosse qui participe, en prêtant une machine très coûteuse, à la première expérience pour tester le modèle théorique de la distribution du radiocarbone naturel. Enfin, son amitié avec Urey lui permet de bénéficier du soutien d'un scientifique mondialement connu grâce à son prix Nobel et, plus prosaïquement, d'une bourse du Viking Fund.
[modifier] Découverte et interdisciplinarité
La contribution de Libby au processus de découverte de la méthode de datation au carbone 14 est d'avoir réussi à relier entre elles des connaissances éparses multidisciplinaires.
Ainsi, l'histoire des débuts de la datation au carbone 14 révèle des formes d'interdisciplinarité plus ou moins développées s'organisant chacune autour de concepts, d'acteurs, de lieux ou d'instruments qui font office d'intermédiaires entre plusieurs disciplines.
[modifier] Datation radioactive de minéraux et datation au carbone 14
La mise au point de la première méthode de datation radioactive, la datation de minéraux, engage les géologues et les spécialistes de la radioactivité dans un effort commun long d'un demi-siècle pour estimer précisément l'âge de la Terre.
L'analogie est frappante entre la datation radioactive de minéraux et la datation au carbone 14 qui révolutionnent la pratique de la géologie ou de l'archéologie en substituant une chronologie absolue à une série de chronologies relatives établie par la stratigraphie.
La datation au carbone 14 introduit la dimension du vivant dans la datation radioactive.
[modifier] Libby à l’université de Berkeley dans les années 1930
Libby étudie la chimie à l'Université de Berkeley. Son travail de thèse consiste à chercher des éléments naturellement radioactifs. Il obtient son Ph.D en 1933 et reste à Berkeley où il poursuit ses recherches, pour l'essentiel en radiochimie, jusqu'en 1941. Il met notamment au point son compteur à grille.
La radiochimie et la radiobiologie connaissent alors un essor considérable autour du Radiation Laboratory et de son cyclotron.
Le cyclotron est l'instrument phare du Radiation Laboratory qui en construit de plus en plus grands au cours des années 1930 sous l'impulsion de Ernest Orlando Lawrence, son ambitieux directeur et rassemble autour de cet instrument des chercheurs de différentes disciplines (cf. Berkeley Lab).
La découverte du carbone 14 par Martin Kamen et Samuel Ruben est une conséquence de leurs travaux sur l'usage de radioisotopes comme traceurs biologiques. Ce concept de traceur est sans doute la racine de l'idée de datation au carbone 14 qui germe dans l'esprit de Libby en 1939.
[modifier] Datation au carbone 14 et archéologie
Le rôle d'intermédiaires entre la radiochimie et l'archéologie est joué par Urey, dont la notoriété dépasse les frontières disciplinaires, et Arnold, qui hérite de son père la passion de l'archéologie.
Les liens entre l'équipe de Libby et la communauté archéologique américaine ont pour conséquences les plus tangibles une bourse de 13 000 $ du Viking Fund for Anthropological Research et la création en 1948 du Comité sur le carbone 14, composé de trois archéologues et d'un géologue, qui se charge de sélectionner les échantillons archéologiques à dater au carbone 14.
L'enthousiasme des archéologues en découvrant cette méthode de datation montre la présence d'un besoin latent et donc d'un débouché potentiel. Mais pour que la datation au carbone 14 devienne d'un usage courant, il faut d'abord développer une technique suffisamment économique.
Une véritable coopération est nécessaire pour valider la méthode de datation au carbone 14, puisqu'il s'agit de dater des échantillons de matière organique dont l'âge est connu par un autre moyen, comme c'est le cas pour des échantillons prélevés sur des objets archéologiques appartenant à une période historique.
[modifier] Bibliographie
- R.E. Taylor, Radiocarbon dating : an archaeological perspective, Academic Press, Londres, 1987, chap. 6.
- Greg Marlowe, « W.F Libby and the archaeologists, 1946-1948 », Radiocarbon, XXII/3, 1980, 1005-1014.
- Greg Marlowe, « Year one : radiocarbon dating and american archaeology, 1947-1948 », American Antiquity, LXIV/1, 1999, 9-32.
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