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.
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.
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).
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.