LA THERMOLUMINESCENCE
La luminescence est le phénomène physique d'émission de lumière par les atomes, les molécules. Pour être luminescents, ces entités doivent avoir été préalablement "excités par un apport d'énergie. Exemple: l'apport d'énergie (bio)chimique pour la bioluminescence du vers luisant.
La thermoluminescence (TL) se produit lorsque des cristaux (isolants) sont chauffés à une certaine température. Le phénomène est rarement visible à l'oeil nu et nécessite des détecteurs appropriés.
Pour être thermoluminescents (i.e. émettre de la lumière par chauffage), les cristaux doivent avoir reçu préalablement un apport énergétique. En datation par mesure de dose d'irradiation, cet apport est une irradiation alpha, beta ou gamma (selon les énergies des rayonnements).
L'IRRIADIATION NATURELLE
Les atomes émetteurs de la radioactivité (ou radioéléments) appartiennent aux chaines de désintégration radioactives de l'uranium (238U et 235U), du thorium (232Th) et du potassium (40K). Cette radioactivité est une émission de particules alpha, béta et gamma.
A la radioactivité naturelle s'ajoute l'irradiation par le rayonnement cosmique.
EFFETS DE L'IRRADIATION SUR UN CRISTAL
Les rayonnements alpha, bêta et gamma ionisent les atomes sur leur passage. Ils créent ainsi des charges temporairement libres, des électrons.
Un cristal n'est jamais parfait, il contient de très grandes quantités d'impuretés et de défauts ponctuels dont certains peuvent constituer des sites "pièges" pour les électrons libérés par l'irradiation.
Continuellement au cours du temps, au passage d'une particule radioactive, des électrons libérés par l'irradiation sont ainsi piégés dans des états physiques dits métastables. Certains électrons peuvent ainsi restés piégés pendant une durée qui dépend des caractéristiques du centre piège et de la température dumilieu d'enfouissement (le départ de la charge du centre piège est provoqué par l'agitation thermique) ; cette durée peut aller de quelques secondes à quelques centaines voir millions d'années.
L'irradiation étant supposée constante, le nombre de charges capturées est donc proportionnel au temps pendant lequel les cristaux sont irradiés juqu'à ce que tous les pièges soient occupés.
LE PRINCIPE DE LA DATATION PAR LA TL
Si on chauffe un cristal ayant été irradié, l'apport d'énergie thermique, selon la température atteint, peut "vider" les pièges. Les électrons alors libérés dans le cristal rencontrent d'autres sites cristallins où ils sont capturés (en se recombinant par exemple avec un ion positif créé lors de l'irradiation) défauts ponctuels appelés centres luminogènes qui sont excités par ces charges en mouvement.
Le centre luminogène perd son énergie excédentaire sous forme de photon (luminescence), c'est la luminescence induite par chauffage.
Pour un type de chauffage donné la quantité de lumière émise est proportionnelle au nombre d'électrons libérés, lui-même proportionnel au nombre de charges initialement capturées, lui-même proportionnel au temps écoulé depuis le dernier vidage des centres pièges (instant initial).
Ainsi dispose-t-on d'une grandeur mesurable, la quantité de lumière, proportionnelle au temps écoulé depuis l'instant initial.
Cet instant initial correspond à l'effacement des effets des irradiations antérieures. C'est soit un chauffage qui a vidé tous les pièges des électrons préalablement capturés (cuisson d'une poterie, dernière chauffe d'un four ou d'un foyer, incendie, épanchement de lave) ou bien la genèse d'un cristal lui même (spéléothems : formations carbonatées des grottes).
En datation par TL, on recherche le coefficient de proportionnalité entre la quantité de lumière émise au cour du chauffage au laboratoire et la dose d'irradiation Q reçue par le cristal depuis l'instant initial (selon l'objet d'étude on parle dose archéologique ou de dose géologique).
Pour obtenir un âge, il faut aussi connaître la dose d'irradiation reçu par le cristal en une année, d.
Le temps écoulé depuis l'instant initial est : Age = Q / d.
L'unité de dose d'irradiation est le gray ou le rad (1 rad = 1/100 gray); D est donc exprimé en rad ou en gray et d en rad/an ou gray/an.
LES MATERIAUX CONCERNES
La Tl est sollicitée en archéologie lorsque l'absence de restes organiques interdit l'emploi du C14. Le domaine d'application dépasse la limite du C14, en particulier il concerne l'intervalle du temps compris entre la limite supérieure du C14 etla limite inférieure du K-Ar soit de 50 000 à 200 000 ans. Elle contribue en particulier, à la chronologie du paléolithique , ainsi qu'à l'affinement des chronologies historiques et proto-historiques.
La précision est 7 à 5 % pour un âge ; la datation d'un événement peut nécessiter l'étude de plusieurs échantillons, ce qui permet de réduire , dans certains cas cette incertitude à 4 %.