- Thermoluminescence
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Thermoluminescence de fluorite.
La thermoluminescence est un phénomène physique lié à la capacité de certains cristaux d'accumuler l'énergie cédée par les rayonnements ionisants issus de la radioactivité et de restituer cette énergie sous forme de lumière lorsqu'ils sont chauffés.
Sommaire
Historique
Il est classique d’attribuer à l'alchimiste bolognais Vincenzo Cascariolo (vers 1630) la découverte accidentelle de la thermoluminescence suite à l’observation de l’émission de lumière par des nodules de barite qu’il avait fait chauffer. Ces nodules provenant de la région de Bologne avaient alors pris le nom de pierre de Bologne ou pierre magique[1].
En 1663, le physicien et chimiste irlandais Sir Robert Boyle observe également le phénomène de thermoluminescence en chauffant du diamant.
Le phénomène était bien décrit au XVIIIe siècle à partir d’échantillons de fluorite (variété chlorophane)[2]. Dans les années 1950, ce phénomène a trouvé une application différente de la minéralogie comme méthode de datation, principalement des céramiques.
Principe de base
Un certain nombre de cristaux, tels le quartz, le feldspath et le zircon, ont la propriété d'accumuler au cours du temps, sous forme d'énergie au niveau atomique, l'irradiation naturelle et cosmique du lieu où ils se trouvent. Quand ils sont ensuite soumis à une forte température (250 à 500°C), ils restituent l'énergie accumulée sous forme de lumière (photons). Une fois refroidis, l'accumulation peut reprendre.
Utilisation pratique : la datation par thermoluminescence
Principe
test d'ancienneté d'une terre cuite aztèqueLes cristaux présents dans les matériaux utilisés pour la confection de poteries restituent la totalité de la charge énergétique accumulée au cours du temps géologique lors de leur cuisson. Pour dater la cuisson de cette poterie, il suffit ensuite de soumettre un échantillon une nouvelle fois à une température élevée : la quantité de lumière émise est proportionnelle au temps écoulé entre les deux opérations.
En tenant compte du niveau de radiation naturelle du milieu où a séjourné la céramique à dater et de la nature des cristaux en jeu, on peut calculer la date précise de la dernière chauffe de l'échantillon.
Cette technique est aussi applicable à des terres de foyer, des fours, des laves, et en général à tout milieu contenant les cristaux sensibles et ayant été soumis à des températures importantes dans le passé.
Limites de cette méthode
La mesure peut être faussée par tout événement inconnu qui aurait chauffé fortement l'échantillon, comme un incendie. Pour les fours de potier, on n'obtiendra que la datation de la dernière utilisation. D'autre part, l'exposition accidentelle de l'échantillon à une source radioactive artificielle brouille définitivement les calculs.
Les cristaux ont une limite naturelle de stockage de la radioactivité naturelle. Au-delà d'un certain seuil, ils ne réagissent plus. On estime à 700 000 ans l'ancienneté maximale mesurable avec la méthode de la thermoluminescence. Cette limite est plus basse dans les régions où la radioactivité naturelle est importante.
Domaine d'utilisation et précision
La datation par thermoluminescence est principalement utilisée dans deux disciplines :
- l'archéologie : datation de poteries, d'éléments architecturaux en terre cuite, de sculptures en terre cuite, de fours, de bronze (noyau), de pierres brûlées des foyers, d'outils et d'éclats de silex chauffés intentionnellement ou accidentellement ;
- la géologie : roches ignées (volcanites), calcite (stalagmites), lœss, dunes, cratères de météorite.
Le champ d'application de la méthode est d'environ 100 ans à 800 000 ans BP. Son imprécision est de l'ordre de 5 à 15 % compte tenu de la dose externe mesurée sur site ; elle peut aller jusqu'à 20 % sur les objets hors du contexte archéologique.
Minéraux pouvant présenter une thermoluminescence
Barite, calcite, célestine, cryolite, danburite, fluorite, sphalérite.
Bibliographie
- Aitken, M.J. (1985) - Thermoluminescence dating, London, Academic Press.
- Guibert, P. et Roque, C. (2000) - « La datation par thermoluminescence », in: Archéométrie - les sciences appliquées à l'archéologie, Dossiers de l'Archéologie, n° 253, pp. 16-23.
- (fr) Définition : la thermoluminescence
Références
- Marvin C. Goldberg, 1989, « Luminescence applications in biological, chemical, environmental, and hydrological sciences », American Chemical Society.
- De Grotthaus in Delamétherie (1794), Journal Phys., 45 : p. 398.
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