Thermolumineszenz


Als Thermolumineszenz wird die Eigenschaft eines Festkörpers bezeichnet, beim Erhitzen vorher im Kristallgitter gespeicherte Energie in Form von Licht abzugeben. Die dafür nötige Energie wurde in vorher angeregten metastabilen Zuständen gespeichert. Der dabei ablaufende Prozess der thermisch stimulierten Lichtemission ähnelt anderen Lumineszenzen und wird dort genauer beschrieben.

Thermolumineszenz von Flussspat

Entdeckung

Die Entdeckung der Thermolumineszenz wird Robert Boyle 1663 zugeschrieben [1]. Er berichtete in diesem Jahr am 28. Oktober vor der Royal Society, dass er einen Diamanten im Dunkeln zu schwachem Leuchten brachte, indem er ihn im Bett an den wärmsten Teil seines nackten Körpers hielt. Erste moderne Anwendungen wurden in den 1950er Jahren beschrieben, in der Archäologie auf Keramik durch Elizabeth K. Ralph und Mark C. Han[2] und von Martin J. Aitken.

Grundlage

Datei:Glowkurve.svg
Vergleich thermischer Normalstrahlung mit Glowkurve

In natürlich vorkommenden Mineralien wie z.B. Quarz oder Feldspat wird Energie in Form von Strahlenschäden, verursacht durch den Zerfall natürlich vorkommender instabiler Nuklide sowie kosmische Strahlung, im Kristallgitter gespeichert. Dabei werden Elektronen in "Elektronenfallen" zwischen Valenz- und Leitungsband festgesetzt. Quarze oder Feldspäte wiederum sind mineralogische Bestandteile z.B. gebrannter Keramik.

Beim Erhitzen emittieren Körper mit steigender Temperatur zunächst Wärmestrahlung, später auch sichtbares Licht. Wenn keine Thermolumineszenz auftritt, kann die abgestrahlte Leistung als Funktion der Temperatur mit Hilfe des Stefan-Boltzmann-Gesetzes vorhergesagt werden. Beim weiteren Erhitzen auf Temperaturen um 300 °C - 500 °C setzt thermische stimulierte Lichtemission (Thermolumineszenz) ein, d.h., angeregte Elektronen verlassen ihren metastabilen Zustand und fallen auf niedrigere Energieniveaus zurück (man spricht auch von Rekombination). Die Energiedifferenz wird dabei als Lichtquant einer charakteristischen Frequenz (z.B. im sichtbaren Spektrum) abgegeben. Da nach relativ kurzer Zeit sämtliche angeregte Elektronen auf ein niedrigeres Energieniveau gefallen sind, tritt dieser Thermolumineszenz (TL) genannte Effekt nur beim ersten Erhitzen auf, sofern der Kristall nicht anschließend (künstlich) bestrahlt wird.

Aus dem Unterschied der beiden Kurven kann auf die gespeicherte Energie rückgeschlossen werden. Diese hängt von der Intensität und der Zeitdauer der vorhergehenden akkumulierten Energie ab.

Für die Strahlungsmesstechnik verwendet man Kristalle aus Lithiumfluorid, CaSO4 CaF2 oder Lithiumborid, die mit verschiedenen Fremdatomen (Aktivatoren) wie Mn, Mg, Ti, Cu oder P gezielt verunreinigt (dotiert) sind. Diese Dotierungen dienen der Erzeugung von Fehlstellen, in denen die im Kristall freigesetzten Elektronen eingefangen und gespeichert werden können.[3]

Archäologische Anwendung

Thermolumineszenz wird u.a. in der Archäologie unter der Bezeichnung Thermolumineszenz-Datierung (TL Datierung) oder allgemeiner Lumineszenzdatierung als Methode zur Altersbestimmung von Keramikobjekten oder anderweitig gebrannten Artefakten verwendet. Sie dient dabei als Ergänzung zur Radiokohlenstoffdatierung (auch: C14-Datierung), insbesondere dort, wo Datierungen jenseits der begrenzten Reichweite der C14-Datierung benötigt werden oder wo kein organisches Material zur Verfügung steht.

Bereits 1953 in einem Aufsatz von Daniels, Boyd & Saunders[4] vorgeschlagen, wurden erste Datierungsanwendungen 1957/1958 von Forschern der Universität Bern (Team um Friedrich Georg Houtermans und Norbert Grögler) vorgestellt.[5][6] In der darauffolgenden Zeit wurde die Datierungsmethode Anfang der 1960er Jahre federführend von Martin J. Aitken in Oxford weiter entwickelt. Weitere methodische Verbesserungen führten 1985 zur Vorstellung der Optical Stimulated Luminescene (OSL) Datierung durch David Huntley.[7] Datiert wird der Zeitpunkt der letzten Belichtung, was prinzipiell auch mit der TL Datierung möglich ist, aber erheblich längere Belichtungszeiten erfordert. Das Verfahren der OSL Datierung ist, obwohl mit der TL Datierung eng verwandt, daher von dieser abzugrenzen (s. Abschnitt verwandte Verfahren).

Typische Quarz-TL-Kurve, gemessen im Rahmen einer TL-Datierung

Der Aufbau des latenten Lumineszenzsignals erfolgt durch Energiezufuhr aus dem Zerfall natürlich vorkommender, radioaktiver Nuklide (238U, 232Th, 40K, 87Rb) sowie Kosmischer Strahlung.

Beim Brennvorgang zur Herstellung des Artefaktes wurde die TL-Uhr auf „0“ zurückgesetzt. Anschließend setzt die skizzierte „Aufladung“ erneut ein. Je älter die Probe ist, desto stärker ist das bei einer erneuten Erhitzung beobachtbare Lumineszenzsignal. Durch die Messung wird die TL-Uhr jedoch erneut zurückgesetzt.

Das Messverfahren ist relativ kompliziert, weshalb der gesamte Prozess von TL-Experten geleitet werden muss:

  • Messungen der Dosisleistung in der Umgebung des Fundortes vorkommender radioaktiver Nuklide
  • Kenntnis des (regional/lokal unterschiedlichen) Spektrums der betreffenden radioaktiven Isotope und deren Zerfallszeit
  • Sicherheit und Kenntnis über die sachgerechte Bergung, Entnahme und Lagerung der Proben.

Die Genauigkeit der Methode ist begrenzt. Sie liegt bei etwa 10 % des geschätzten Alters der Probe. Ihre Reichweite beträgt mehr als 50.000 Jahre, abhängig vom verwendeten Dosimeter und der Dosisleistung. Unter guten Voraussetzungen wurden auch 500.000 Jahre erreicht.

Bisher ist es Fälschern nicht gelungen, diese Methode der Altersbestimmung auszuhebeln, weil es offensichtlich unmöglich ist, frisch gebrannte Keramik durch künstliche Bestrahlung so „aufzuladen“, dass der zeitliche Verlauf der TL-Strahlung während des Erhitzens imitiert wird.

Andere Anwendungen der Thermolumineszenz

  • TL-Messungen können auch in der Photosyntheseforschung wichtige Informationen liefern. Auch hier entstehen, nach Anregung mit Licht, metatstabile Radikalpaare, die durch Wärmezufuhr rekombinieren. Peaktemperatur und Ausmaß des emittierten Lichtes lassen Rückschlüsse auf den Zustand des Photosyntheseapparates zu.
  • Eine weitere Anwendung findet die Thermolumineszenz in der (Personal-)Dosimetrie. Dabei wird die lumineszierende, thermisch stimulierte Rekombination von durch ionisierende Strahlung erzeugten, bei Raumtemperatur stabilen Defekten in sehr empfindlichen Materialien, wie z. B. Lithiumfluorid, als Maß für die aufgenommene Dosis bestimmt.
  • Nachweis von Lebensmittelbestrahlung [8]

Thermolumineszenz als Methode der Dosimetrie

Die Thermolumineszenz als Methode der Dosimetrie (Thermolumineszenzdosimeter) bietet folgende Vorteile:

  • Asynchrone Auswertung: Die absorbierte Strahlenenergie bleibt über lange Zeiträume nahezu verlustfrei (unter 5 %) im Dosimeterkristall gespeichert und kann so auch noch nach Jahren exakt ermittelt werden.
  • Die Dosimeterkristalle sind vergleichsweise einfach und kostengünstig herzustellen und können mehrfach verwendet werden.
  • Die typischerweise verwendeten Materialien (z. B. Lithiumfluorid) sind hitze- und säureresistent als auch wasserunlöslich, was die Strahlenerfassung auch unter ungünstigen Umweltbedingungen ermöglicht (z. B. Weltraumdosimetrie).

Verwandte Verfahren

Nach dem gleichen Wirkungsprinzip wie die Thermolumineszenz arbeiten weitere Verfahren, die sich vor allem durch die Frequenz der von außen zugeführten, stimulierenden Strahlung unterscheiden:

  • Optisch stimulierte Lumineszenz (OSL; en: optically stimulated luminescence) mit Hilfe von Licht aus dem sichtbaren Bereich des Spektrums. Anwendbar bei Quarz und Feldspat, d. h. bei ehemals dem Sonnenlicht oder einer Erhitzung ausgesetzten Gesteinen (Sandstein, Granit) und insbesondere quarzhaltigen Sedimenten, geeignet zur Datierung von Proben, die bis zu 200.000 Jahre alt sind.[9]
  • Infrarot stimulierte Lumineszenz (IRSL; en: infrared stimulated luminescence) mit Hilfe von Infrarotlicht.
  • Radiolumineszenz (RL; en: Radioluminescence) mit Hilfe von ionisierender Strahlung.
  • Grün Stimulierte Lumineszenz (GLSL; en: green-light stimulated luminescence) mit Hilfe von grünem Licht.

Literatur

  • Martin Jim Aitken: Science-based dating in archaeology. Longman, London u. a. 1990, ISBN 0-582-49309-9, S. 141–175 (Longman archaeology series).
  • Martin Jim Aitken: Thermoluminescence dating. Academic Press, 1985, ISBN 0-12-046380-6
  • Reuven Chen & Stephen W. McKeever : Theory of thermoluminescence and related phenomena. World Scientific, Singapore u. a. 1997, ISBN 981-02-2295-5.
  • Reuven Chen & Vasilis Pagonis: Thermally and Optically Stimulated Luminescence: A Simulation Approach. John Wiley & Sons, 2011, ISBN 978-0470749272.
  • Stuart Fleming: Thermoluminescence techniques in archaeology. Clarendon Press, Oxford 1979, ISBN 0-19-859929-3.
  • Claudio Furetta: Handbook of Thermoluminescence. World Scientific, 2010, ISBN 981-238-240-2.
  • Barthel Hrouda (Hrsg.): Methoden der Archäologie. Eine Einführung in ihre naturwissenschaftlichen Techniken. Beck, München 1978, ISBN 3-406-06699-2, S. 151–161 (Beck’sche Elementarbücher).
  • K. Mahesh, P. S. Weng & C. Furetta: Thermoluminescence in solids and its application. Nuclear Technology, Publishing, 1989, ISBN 1-870965-00-0.
  • Stephen W. S. McKeever: Thermoluminescence of solids. Cambridge University Press, 1988, ISBN 0-521-36811-1.
  • Stephen Stokes: Luminescence dating applications in geomorphological research. In: Geomorphology. 29, 1999, ISSN 0169-555X, S. 153–171.

Weblinks

Fußnoten

  1. Newton, H.E., 1957. A history of luminescence from the earliest times until 1900. Philadelphia, American Philosophical Society.
  2. Dating of Pottery by Thermoluminescence. In: Nature. 210, 1966, S. 245-247
  3. Meyers Grosses Taschen-Lexikon in 24 Bänden: Altersbestimmung. Bd.1. A-Ang. 1987, S. 270
  4. F. Daniels, C. A. Boyd & D. F. Saunders: Thermoluminescence as a Research Tool. In: Science. 117, 1953, S. 343–349.
  5. F. G. Houtermans & H. Stauffer: Thermolumineszenz als Mittel zur Untersuchunug der Temperatur- und Strahlungsgeschichte von Mineralien und Gesteinen. In: Helvetica Physica Acta. 30, 1957, S. 274–277.
  6. N. Grögler, F. G. Houtermans & H. Stauffer: Radiation damage as a research tool for geology and prehistory. In: 5° Rassegna Internazionale Elettronica E Nucleare, Supplemento Agli Atti Del Congresso Scientifico. 1, 1958, S. 5–15.
  7. D. J. Huntley, D. I. Godfrey-Smith & M. L. W. Thewalt: Optical dating of sediments. In: Nature. 313, 1985, S. 105–107.
  8. G. Schwedt: Taschenatlas der Lebensmittelchemie. 2. vollst überarb. u. erw. Aufl. Wiley-VCH, Weinheim 2005.
  9. Michael Balter: New light on ancient samples. In: Science. Band 332, 2011, S. 658, doi:10.1126/science.332.6030.658-b

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