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Thermolumineszenz, optisch angeregte Lumineszenz und Elektronenspin-Resonanz

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Die Grundlage dieser Verfahren ist die gleiche: sie messen die Anzahl von Elektronen, die in Defekten in der Gitterstruktur von Kristallen gefangen sind. Solche Defekte entstehen durch den Zerfall geringer Mengen radioaktiver Elemente in den Kristallen, beispielsweise Kalium, Thorium oder Uran. Die Anzahl der gefangenen Elektronen steigt durch die radioaktive Strahlung mit der Zeit an, so dass der Kristall wie ein Dosimeter wirkt. Nur wenn die Elektronen aus den Fallen freigesetzt werden, wird die Uhr auf Null zurückgesetzt.

Thermolumineszenz-Methode

Bei der Thermolumineszenz-Methode (TL) wird die akkumulierte Strahlendosis in einem Kristallgitter gemessen, indem man die Probe stark erhitzt und so die eingeschlossenen Elektronen anregt. Sobald sie aus dem Gitter entweichen, emittieren sie Licht, ein Vorgang, den man als Thermolumineszenz bezeichnet. Die Intensität der Thermolumineszenz ist proportional zur Anzahl der gefangenen Elektronen. Das Alter des Materials erhält man durch Dividieren der akkumulierten Dosis durch die jährliche Dosis. Letztere bestimmt man, indem man die Menge an Kalium, Thorium oder Uran mißt, die sich in der Probe und im umgebenden Boden oder Gestein befindet, oder durch künstliche Bestrahlung der Probe und erneuter Messung der Thermolumineszenz. Eine Variante dieser Technik ist die optisch angeregte Lumineszenz (oder Foto-stimulierte Lumineszenz), bei der Licht anstelle von Wärme verwendet wird, um die Elektronen aus den Fallen zu befreien.

Elektronenspinresonanz-Verfahren

Beim Elektronenspinresonanz-Verfahren (ESR) wird die Anzahl der gefangenen Elektronen in der Probe nicht durch Erhitzen, sondern durch Messung der Absorption von Mikrowellenstrahlung bestimmt. Fallen mit nur einem einzelnen Elektron wirken als paramagnetische Zentren mit einem statischen Magnetfeld. Wenn die Elektronen in den Fallen einem elektromagnetischen Feld mit Mikrowellenfrequenz ausgesetzt werden, oszillieren sie mit und entgegen dem Magnetfeld. Vom angelegten Magnetfeld wird Energie entsprechend der Anzahl an Fallen absorbiert, in denen einzelne Elektronen gefangen sind, und korreliert mit dem Alter der Probe. Ein Vorteil der ESR gegenüber TL ist, dass eine Probe wiederholt getestet werden kann.

TL und ESR messen die Zeit, die seit der letzten Entweichung der Elektronen aus ihren Fallen verstrichen ist, also als die Uhr der Probe auf Null zurückgesetzt wurde. Dies geschieht beispielsweise bei Artefakten aus Feuerstein, wenn sie das erste mal erhitzt werden, beispielsweise in einer Feuerstelle. Bei Sedimenten wird die Uhr zurückgesetzt, wenn sie während Transport und Ablagerung dem Sonnenlicht ausgesetzt sind. Mit beiden Methoden kann man verbrannten Feuerstein von paläolithischen Fundstellen datieren, aber auch Lößablagerungen, Höhlensedimente, Knochen und Zähne. TL und ESR sind nicht so präzise wie die Radiokohlenstoff-Datierung, können aber für größere Zeiträume und darüber hinaus auch für anorganisches Material angewendet werden. In Bezug auf die Aufnahme von radioaktiven Elementen aus der Umgebung müssen bei beiden Methoden sorgfältige Anpassungen vorgenommen werden.

Die TL-Methode spielte bei der Kontroverse über die Beziehung zwischen Neandertalern und anatomisch modernen Menschen eine wichtige Rolle. Die Datierungen von verbranntem Feuerstein in den Höhlen von Kebara und Quafzeh in Israel unterstützen die Annahme, dass die Neandertaler keine direkten Vorfahren der modernen Menschen sind, da sie im Nahen Osten erst mehrere zehntausend Jahre nach den ersten anatomisch modernen Menschen ankamen. Zehntausende von Jahren kamen nach den ersten anatomisch modernen Menschen in der Region.


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