Le phénomène physique

Qu'est-ce que la thermoluminescence ?

La thermoluminescence (TL) est un phénomène physique qui se traduit par la propriété qu'ont certains cristaux d'émettre de la lumière (Figure 1 : a) lorsqu'on les chauffe, à condition qu'ils aient été au préalable soumis à une irradiation naturelle ou artificielle. Cette luminescence ne se produit que si le chauffage a été précédé d'une irradiation due à des rayonnements ionisants, par exemple l'exposition à la radioactivité naturelle pendant des milliers d'années.

Depuis sa cuisson, une céramique accumule une dose archéologique due à l'irradiation naturelle. La recuisson en laboratoire d'un prélèvement en poudre permet de mesurer la durée d'irradiation à partir de la quantité de lumière émise. Si l'échantillon est chauffé une deuxième fois (Figure 1 : b), il n'émettra plus de lumière à moins d'avoir reçu une nouvelle dose d'irradiation entre temps (Figure 1 : c).

Figure 1. Courbes présentant le principe général de la thermoluminescence.

(a) TL naturelle
(b) émission thermique
(c) TL artificielle

L'équation fondamentale de la datation par thermoluminescence est donnée par :

AGE TL (années) = Dose archéologique (ou géologique) / Dose annuelle

dose archéologique (ou géologique) : c'est la quantité d'énergie par unité de masse stockée depuis sa dernière chauffe par le cristal. Elle provient de la désintégration des éléments radioactifs contenus dans le cristal et dans son environnement

dose annuelle : c'est la quantité d'énergie par unité de masse accumulée en une année par le cristal

La dose archéologique est déterminée en comparant la thermoluminescence naturelle des cristaux à celle induite au laboratoire par une dose connue (emploi d'une source radioactive calibrée). La dose annuelle est généralement déduite des concentrations en radioéléments de l'échantillon et du milieu d'enfouissement.

Modèle des bandes

La TL s'explique par la structure imparfaite des cristaux qui contiennent toujours en nombre élevé des défauts, qu'il s'agisse de défauts de construction, tels que des lacunes ou des dislocations, ou de la présence d'atomes étrangers à la composition chimique de base (impuretés). L'énergie reçue par les électrons au cours de l'irradiation provient de la désintégration des éléments radioactifs (uranium 238, thorium 232 et potassium 40) contenus dans le matériau (ex. la terre cuite) et dans son environnement (ex. milieu d'enfouissement ou musée) ce qui modifie leurs niveaux énergétiques. En augmentant ensuite la température du cristal, les électrons sont libérés et ont la possibilité de revenir dans leur position initiale en perdant de l'énergie sous forme de photons (luminescence).

Le phénomène est souvent décrit par un schéma de bandes (Figure 2).

Figure 2. Représentation schématique du modèle des bandes.

1. l'ionisation par rayonnement libère un trou et un électron qui est projeté dans le continuum énergétique de la bande de conduction
2. l'électron et le trou sont capturés par des impuretés (pièges) du minéral
3. le minéral chauffé libère l'électron ; ce dernier se recombine au trou en A, ce qui entraîne l'émission d'un photon

Utilisation de la TL comme méthode de datation

Figure 3. Evolution de la TL en fonction du temps.

– TL géologique: doses reçues par les matières premières qui composent l'objet

– Chauffe à haute température: fabrication et cuisson de l'objet, remise des "compteurs TL" à zéro

– Irradiation naturelle: dose reçue par l'objet dans son environnement (ex. milieu d'enfouissement ou musées)

Limitations de la méthode et remarques

• La thermoluminescence mesure la période écoulée depuis la dernière chauffe qui ne correspond pas forcément à l'événement à dater (fabrication pour les terres cuites, dernière utilisation pour un four, etc.). Incendies, restauration à l'aide d'une source chauffante peuvent fausser l'interprétation des résultats expérimentaux.
• Le matériau doit contenir des minéraux thermoluminescents et les cristaux doivent être suffisamment sensibles à l'irradiation (ex. : quartz, feldspaths, zircons).
• Les cristaux ne doivent pas être saturés en énergie, leur « capacité d'emmagasinage » limitant l'utilisation de la technique. Les plus anciens âges obtenus jusqu'à présent sont de l'ordre de 700 000 ans.
• Les objets ne doivent pas avoir subi une quelconque irradiation artificielle (X, , neutrons,...) avant l'analyse par thermoluminescence.