Thermoluminiszenz

Als Thermolumineszenz wird die Eigenschaft eines Stoffes bezeichnet, während erstmaligem Erhitzen zusätzliches Licht abzugeben. Die dafür nötige Energie wurde in vorher angeregten metastabilen Zuständen gespeichert. Der dabei ablaufende Prozess ist ähnlich zu anderen Lumineszenzen und wird dort genauer beschrieben.

Vergleich thermischer Normalstrahlung mit Glowkurve

Entdeckung

Der grundlegende Effekt wurde von Robert Boyle 1664 beschrieben. Das Drummondsche Licht beruht zum Teil auf Thermolumineszenz. Erste moderne Anwendungen wurden schon in den 1950er Jahren beschrieben, in der Archäologie auf Keramik durch Elizabeth K. Ralph & Mark C. Han, Dating of Pottery by Thermoluminescence, Nature 210, 245-247, 1966 und von Martin Jim Aitken, „A Specialist Seminar on Thermoluminescence Dating“ in Oxford, 1978.

Grundlage

In Festkörpern wie gebranntem Ton existieren kristalline Bereiche. Durch radioaktive Strahlung werden Atome aus ihren Gitterplätzen herausgeschlagen und gelangen nicht mehr in ihre Ursprungsposition zurück. Es entstehen Kristallfehler, die Energie speichern. Dieser Zustand wird als metamikt, die gespeicherte Energie als Wigner-Energie bezeichnet. Diese Energie kann sich nach kurzer Zeit spontan als Wärme freisetzen, sie kann aber auch jahrzehntelang gespeichert bleiben.

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. Enthält der keramische Festkörper aber Kristallfehler, beobachtet man bei Erhitzung auf Temperaturen um 400°C zusätzliche Lichtemissionen, die nur beim erstmaligen Erhitzen auftritt (Glowkurve). Dabei kehren die Atome wieder ihre Ursprungsposition zurück, wobei die gespeicherte Energie frei wird. Diesen Vorgang nennt man Thermolumineszenz (TL). Aus dem Unterschied der beiden Kurven kann man auf die gespeicherte Energie rückschließen. Diese hängt ab von der Anzahl der Fehlstellen, der Intensität und der Zeitdauer der vorhergehenden Bestrahlung.

Für die Strahlungsmesstechnik verwendet man Kristalle aus LiF, CaSO₄ CaF₂ oder LiB, 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.

Archäologische Anwendung

Thermolumineszenz wird in der Archäologie 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.

Geringe Mengen radioaktiver Substanzen in den Rohstoffen der Keramik setzen beim Zerfall Energie frei, wodurch der TL-Effekt angereichert wird (innere Quellen). Zudem trägt - je nach Lagerung der Funde im Boden - Kosmische Strahlung und auch das umgebende Sediment zu dieser Aufladung bei (äußere Quellen). Sonnenlicht scheidet aus, weil es nicht genügend energiereiche Photonen enthält.

Beim Brennvorgang zur Herstellung des Artefaktes wurde der TL-Effekt erstmalig freigesetzt und die TL-Uhr auf „0“ zurückgesetzt. Anschließend setzt die skizzierte „Aufladung“ erneut ein. Je älter die Probe ist, desto stärker ist der bei einer erneuten Erhitzung beobachtbare TL-Effekt. Durch die Messung wird die TL-Uhr jedoch erneut zurückgesetzt. Das Verfahren ist somit nicht wiederholbar. Aus diesem Grund erfolgt die Thermolumineszenzdatierung an dem Artefakt entnommenen Proben.

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

• Messungen der Radioaktivität des Fundorts und der Scherbe
• 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, in Abhängigkeit von den gemessenen Objekten. 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.

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).

Unsicherheitsfaktor

Zur Entwicklung der Thermolumineszenzmethode wurden unter anderem die bei der C14-Datierung erhobenen Daten verwendet. Sind die Daten der zugrundeliegenden C-14-Datierung falsch, und das ist bei vielen frühen Daten wahrscheinlich, ist folglich auch das Datum der mit Hilfe der Thermolumineszenz gewonnenen Datierung zwangsläufig auch falsch. In diesem Fall würde nur die grundsätzliche Schwäche einer Methode auf eine andere übertragen.

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 Induzierte Lumineszenz (OSL; en: Optically Induced 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.
• Infrarot Stimulierte Lumineszenz (IRSL; en: Infrared Stimulated Luminescence) mit Hilfe von Infrarotlicht.
• Radioluminiszenz (RL; en: Radioluminescence) mit Hilfe von ionisierender Strahlung.
• Grün Stimulierte Lumineszenz (GLSL; en: green-light stimulated luminescence) mit Hilfe von grünem Licht.

Literatur

• Aitken, Martin Jim: Science-based dating in archaeology. Longman, London, New York 1990, pp. 141 - 175.
• Hrouda, Barthel: Methoden der Archäologie. Eine Einführung in ihre naturwissenschaftlichen Techniken. Beck, München 1978, pp. 151 - 161.
• Stokes, Stephen: Luminescence dating applications in geomorphological research. In: Geomorphology 29, 1999, pp. 153-171
• Reuven Chen, Stephen W. McKeever : Theory of thermoluminescence and related phenomena. World Scientific, Singapore 1997, ISBN 981-02-2295-5
• Stuart J. Fleming: Thermoluminescence techniques in archaeology. Clarendon Press, Oxford 1979, ISBN 0-19-859929-3.

Weblinks

• Versuch: Thermolumineszenz auf chemieunterricht.de
• Thermoluminescence Dating – A Brief Overview, www.ati.ac.at. Abgerufen am 12. Oktober 2008. (englisch)
• „Procedures used for optically and infrared stimulated luminescence dating of sediments in Heidelberg“, in: Ancient TL 14, 7-11 (1996) von der Forschungsstelle Archäometrie am MPI für Kernphysik (immer noch brauchbar), www.aber.ac.uk. Abgerufen am 12. Oktober 2008.(englisch)
• TL-Photonen-Ortsdosimeter