THERMOLUMINESCENCE

d'après le texte du concours général de sciences physiques 2009,

ainsi que du texte "Thermoluminescence et datation" (Guirec Querré et Elisa Porto) Laboratoire de recherches des musées de France.


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1) Le phénomène- son explication :

            Le phénomène de thermoluminescence fut observé pour la première fois en 1663 par Sir Boyle, qui vit une lueur en réchauffant un diamant dans l’obscurité.

En 1930 les physiciens du solide Urbach et Frisch en expliquèrent le principe grâce à leurs études sur les pièges à électrons dans les cristaux.

La méthode de datation ou d’identification par thermoluminescence ne fut finalement utilisée qu’à partir de 1950 lorsque la technologie des photomultiplicateurs permit de détecter de très faibles quantités de lumière.

La thermoluminescence est un phénomène physique qui se traduit par la propriété qu’ont certains cristaux d’émettre de la lumière 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.

Les rayonnements 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 ou 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.

L’irradiation étant supposée constante, le nombre de charges capturées est donc proportionnel au temps pendant lequel les cristaux sont irradiés tant que les pièges ne sont pas tous occupés. Si on chauffe un cristal ayant été irradié, l’apport d’énergie thermique, selon la température atteinte, peut « vider » les pièges. Les électrons alors libérés dans le cristal se recombinent avec un ion positif créé lors de l’irradiation. L’énergie dégagée lors de ces recombinaisons est libérée par le cristal sous forme de photons d’où la production de lumière.

Ce qui vient d'être dit peut être schématisé de la façon suivante :

On prendra pour simplifier l'explication, le diagramme des niveaux d'énergie d'un atome isolé en sachant qu'on pourra transposer ce raisonnement au cas des cristaux.

Un électron qui a absorbé l'énergie fournie lors d'une irradiation, va se retrouver (dans le cas de certaines substances) à un  niveau d'énergie dit métastable (M) intermédiaire entre le niveau fondamental (F) et un niveau excité (E) habituel.

THERMO1.gif 

Cet électron est alors "piégé" et reste dans cet état.

On chauffe une substance qui a été irradiée et qui possède des électrons "piégés" ; on lui fournit une quantité d'énergie permettant à un électron qui est en état métastable (niveau (M)) de se placer sur le niveau excité (E) ; il revient alors très rapidement et spontanément au niveau (F) en émettant un photon dont l'énergie est celle séparant les deux niveaux (E) et (F).

THERMO2.gif

Remarques :

            - La probabilité pour un électron qui a regagné le niveau (E) de "retomber" au niveau (M) est très faible.

            - Lorsqu'un électron quitte le niveau (F) et y revient, en émettant un photon, en moins de 10-8s on dit qu'il y a fluorescence, dans le cas contraire on dit qu'il y a phosphorescence. La thermoluminescence est clairement une phosphorescence, le temps pendant lequel un électron reste "piégé" étant très supérieur à 10-8s.

 

Les températures les plus courantes auxquelles ont soumet les échantillons et qui provoquent l'émission de lumière après leur irradiation se situent entre 200°C et 500°C ; elles sont en général inférieures à celles provoquant l'incandescence.

On peut cependant distinguer les deux phénomènes dans le cas où ces températures avoisinent celles de l'incandescence ; en effet, l'émission de thermoluminescence ne reste pas constante, à chauffage constant, elle diminue avec le temps, ce qui n'est pas le cas pour l'incandescence.

 

2) Les applications de la thermoluminescence :

            2-1) Les datations :

Parmi les cristaux pouvant présenter le phénomène de thermoluminescence, on trouve la baryte (sulfate de baryum BaSO4), la calcite (carbonate de calcium CaCO3), la fluorite (fluorure de calcium CaF2), la célestine (sulfate de strontium SrSO4)….

On utilise ce phénomène de thermoluminescence :

            - en archéologie, pour la datation de poteries, d'éléments architecturaux en terre cuite, de fours …..

            - en géologie, étude des roches ignées (granite, basalte ..) permettant de dater les éruptions de volcans (on a pu ainsi dater une coulée issue du volcan de Volvic à - 45000 ± 8000 ans) ou des cratères de météorites ou l'étude des stalagmites (calcite).

Les datations ne peuvent dépasser 700 000 ans avec des marges d'erreur de l'ordre de 10%.

            2-2) Dosimétrie par thermoluminescence :

On peut aussi utiliser la thermoluminescence pour mesurer des doses de radiations ionisantes. En effet plus la dose de radiation reçue par un matériau adéquat (on utilise dans certains dosimètres des cristaux de fluorure de lithium LiF) est importante, plus le nombre d'électrons piégés est important et plus est intense la lumière émise ensuite par chauffage du cristal.

On peut ainsi surveiller les doses de radiations auxquelles sont soumis certains techniciens d'appareils radiologiques ou certains opérateurs de centrales nucléaires.

En médecine également on peut surveiller les doses d'irradiation absorbées par les tissus traités en radiothérapie.