Metoda termoluminiscentei

Metoda termoluminiscentei

Se bazeaza pe faptul ca unele minerale cu o anumita compozitie chimica, expus radiatiei ionizante si apoi incalzite, emit lumina, iar incalzite din nou, ulterior, nu mai emit lumina. Inca din secolul XVII, Sir Boyle (1663) observa o raza slaba de lumina atunci cand un diamant era incalzit intr-un mediu obscur. Studiile realizate in sec. XX asupra luminii emise de minerale prin incalzire realizau faptul ca acest fenomen se datoreaza unor iradieri suferite anterior, fenomenul fiind numit: termoluminiscenta.

Metoda de datare prin termoluminiscenta se bazeaza pe doua fenomene distincte: primul de natura fizica (ce tine de structura cristalelor - termo) iar cel de al doilea de natura radioactiva (emisie de energie - luminiscenta). Cea de a doua proprietate este asociata prezentei elementelor radioactive precum uraniul 238, thoriul 232 si potasiul 40. Prin incalzire se declanseaza, de fapt, un proces de inregistrare (inmagazinare) a energiei luminoase, provocata de excitatia radiatiilor alfa, beta si gamma.

In mediul inconjurator elementele radioactive (uraniu, thoriu, potasiu, rubidiu) se gasesc in roci sub forma de impuritati si intr-o multitudine de materiale arheologice. S-a constatat ca toate materialele arheologice din pamant sunt supuse unui flux de radiatii ionizante la care se adauga si un compus minor, datorat radiatiilor cosmice. Efectul radiatiilor asupra mineralelor este ionizarea atomilor periferici respectiv detasarea electronilor periferici. Dupa trecerea radiatiei ionizante cea mai mare parte din electroni cade inapoi pe invelisul electronic si doar o mica parte din electroni sunt capturati de defectele retelei cristaline. Radiatiile sunt astfel inregistrate de catre materialele solide, prin fenomenul numit luminiscenta. Electronii capturati de defectele retelei cristaline pot ramane aici o perioada foarte mare daca temperatura nu depaseste 40^oC.

Cu timpul, numarul acestor electroni creste regulat, pana la o valoare de saturatie. Aceasta permite inregistrarea si masurarea dozei de radiatii din materialul ceramic in care se afla respectivele cristale. Aceste radiatii se acumuleaza in fiecare an, fiind determinate de catre mediul inconjurator (MIN), la care se adauga o anumita cantitate multiplicata de "mediul artificial" (MA). Daca se aplica o agitatie termica prin incalzire se vor elibera pentru a reveni la atomii care au pierdut cate un electron.

Pentru materialele arheologice temperatura variaza intre 500 - 600^oC. Trecerea prin foc a unor materiale arheologice duce la curatirea geologica dobandita a acestor esantioane, respectiv li se sterge ceasul energetic. Rezultatele se refera la doza totala de iradiere de la ultima iradiere care a fost de cel putin 400^oC.

Pentru calculul varstei scurse este necesara cunoasterea dozei naturale (paleodoza, arheodoza - notata cu D) si doza anuala (d). Pentru doza naturala se separa mineralul termoluminiscent de restul esantionului si se plaseaza in spatii slab luminate unde temperatura se ridica progresiv cu 5 - 6^oC pe secunda, in prezenta unui gaz inert ce impiedica formarea unei lumini parazite. Sunt impuse restrictii in privinta maruntirii. Curatirea esantionului se face cu ultrasunete.

Determinarea dozei anuale se poate face in mai multe moduri: se masoara radioactivitatea esantionului si a solului din jur, operatiuni ce se fac prin calcul cu ajutorul tabelelor standard. Raportul intre arheodoza si doza anuala indica varsta ultimei incalziri.

Filton Daniels a sugerat ca termoluminiscenta poate fi utilizata pentru datarea materialelor arheologice si geologice. Detaliile mecanismului prin care este produsa termolumuniscenta nu sunt pe deplin clare, in general putand fi descifrate doar in cazul cristalelor create in laborator in situatia unui control strict al impuritatilor. In cazul datarii prin metoda termolumuniscentei, diferitele tipuri de minerale au mecanisme diferite, chiar in cazul aceluiasi mineral senzitivitatea fiecarui esantion trebuie masurata individual deoarece aceasta este influentata de continutul de impuritati si de trecutul termic.

Primele datari s-au facut in perioada anilor '60. In anii '80 existau 46 de laboratoare, metoda find perfectionata permanent.

Sunt o serie de dificultati datorate fenomenului de termoluminiscenta si dozarii naturale. Fiecare esantion aduce probleme particulare. Marimea termoluminiscentei este mai joasa pentru radiatiile alfa decat pentru radiatiile beta sau gamma.

Conditii necesare pentru prelevarea esantionului:

a) esantionul trebuie sa provina de la o adancime de cel putin 30 cm, iar pe o raza de cel putin 30 cm solul sa fie omogen.

b) esantionul tebuie sa fie insotit de documentatia grafica si fotografica.

c) alaturi de esantion ( ceramica, pietre arse etc ) este necesara si recoltarea a 500 g de sol din jurul esantionului.

Probele prelevate pentru datare si solul trebuie ambalate in doua pungi de plastic negre si depozitate departe de orice sursa de caldura sau radiatii. Pentru datarea ceramicii sunt necesare de la 6 - 12 probe de minim 10 g si 6 mm grosime. Proba trebuie sa fi fost supusa la o temperatura de cel putin 450^oC. Acelasi numar de probe este necesar si pentru silexul ars, iar probele trebuie sa fie de dimensiuni mari. Pentru pietre se face precizarea sa se observe daca nu au fost deranjate. Se cer informatii privind continutul de apa al probei sau al solului, nivelul apei freatice, date despre radioactivitatea din jur. Pentru aceasta se fac masuratori directe sau se ingroapa niste dozimetre pentru colectarea radiatiei din jurul probei.

Fizicienii mentioneaza 5 tehnici, din care doar 3 au aplicabilitate in arheologie:

1. tehnica incluziunii cuartului

2. tehnica particulelor fine

3. tehnica incluziunii feldspatului

Dezvoltarea acestei tehnici de datare a incluziunii cuartului se datoreaza lui Fleming si se aplica materialelor compuse din fragmente mari de particule de cuart. In prima faza, particulele cu o marime de 100 : ( microni ) sunt separate de ceramica de suprafata, iar scheletul exterior care a primit radiatii alfa este tratat cu acid clorhidric. Nucleele ramase sunt folosite pentru masurarea termoluminiscentei. Cantitatile necesare sunt de 50 - 100 mg de cuart pentru probe. Avantaje oferite de aceasta tehnica:

- eliminarea dozei de radiatii alfa.

- rezistenta cuartului la disparitia anomaliilor.

- pierderile de cuart sunt relativ mici.

Tehnica particulelor fine (sau tehnica Zimmermann).

A fost pusa la punct in 1971 si inca de atunci a inceput sa fie aplicata pe o scara larga. Se aplica probelor de ceramica mai mici de 10 : (microni) care au primit radiatie gamma, alfa, beta. Se acorda atentie deosebita feldspatului (fosforului ). Avantaje:

- prezinta tendinta disparitiei de anomalii

- se foloseste la datarea ceramicii de 10 mg si un 1 cm grosime.

Specialistii considera ca desi aceste doua tipuri de tehnici sunt specifice pentru ceramica pot fi aplicate si pentru studierea rocilor si lavelor vulcanice.

Tehnica incluziunii feldspatului se bazeaza pe principiul ca particulele de feldspat se gasesc la un loc cu cuartul atat in ceramica cat si in pietrele arse. Feldspatul are semnal termoluminiscent mai mare si o arie mai mare de datare pana la 50.000 ani. Rezultatele obtinute sunt apreciate ca avand o acuratete intre  5 - 10 % dupa altii intre  8 - 12 %. Precizia asupra varstei unui nivel este data de confruntarea rezultatelor mai multor esantioane.

Metoda poate fi aplicata unor situri arheologice care nu contin suficiente materiale organice pentru datarea cu C₁₄. Este utilizata in mica masura desi ofera posibilitatea datarii unor materiale anorganice, variate (rocile vulcanice, loess - urile, ceramica, unelte din roci, zguri metalice). Termoluminiscenta ofera rezultate mai putin exacte si este considerata metoda de datare a cronologiei relative. Tari in care s-au facut datari prin aceasta metoda: Grecia la Sesklo, Dimini, Achilleion; Iugoslavia la Vuedol si Kostola; Ungaria la Tiszapolgar (incluziunea cuartului a fost imbunatatita obtinandu-se acuratetea de  5 %, ajungandu-se in concordanta cu probele C₁₄).

Datarea cu ajutorul termoluminiscentei se afla inca in curs de perfectionare/dezvoltare din punct de vedere al tehnologiei utilizate. Cu exceptia faptului ca prin intermediul acesteia se efectueaza simple teste de autentificare a obiectelor de arta, datarea cu ajutorul termoluminiscentei nu are, la modul general o acuratete destul de fina pentru standardele utilizate in arheologie.

Exista o serie de factori care trebuie luati in considerare, fiecare dintre acestia conferind anumite erori datarii. Factorii de eroare, prin combinare, fac ca acuratetea datarii termoluminiscente sa aiba o marja de eroare de aprox 15 % pentru o singura proba si pana la 7-10 % de eroare pentru o serie de date provenite dintr-un singur complex.

Metoda de datare termoluminiscenta este utilizata, in special, pentru roci, minerale si ceramica. Plaja de datari obiective este cuprinsa intre 300-10.000 ani B.P. Se bazeaza pe faptul ca aproape toate mineralele naturale sunt termoluminescente. Energita absorbita de acestea pentru radiatia ionizata elibereaza electronii pentru a se deplasa spre reteaua cristalina iar unii dintre acestia sunt captati de imperfectiunile retelei. Orice incalzire ulterioara elibereaza electronii captati producand lumina. Masurarea intensitatii luminiscentei poete fi utilizata pentru determinarea timpului scurs de cand obiectul a fost incalzit ultima data. Lumina este proportionala cu cantitatea de radiatie absorbita de cand materialul a fost supus ultima data unei incalziri.

Daca o proba de ceramica antica prelevata corect este incalzita rapid pana la 500C are loc o emisie slaba de lumina care se poate masura cu ajutorul unui fotomultiplicator sensibil (vezi. fig. ** curba a). La o a doua incalzire a aceleiasi probe, emisia - curba b) - consta doar dintr-o lumina rosie fierbinte (incandescenta). Plusul de lumina emis la prima incalzire constituie termoluminiscenta; aceasta provine de la mineralele existente in factura ceramicii, in principal cuart si granule de feldspat si rezulta din efectul acumulat al expunerii prelungite la fluxul radiatiilor nucleare emise de catre impuritatile radioactive existente in ceramica si in solul in care aceasta s-a pastrat. Aceste impuritati sunt potasiu-40, toriu si uraniu (cu concentratii de cateva parti la un milion). Ele au perioade lungi de injumatatire (1 milion de ani sau chiar mai mult), astfel ca fluxul de radiatii este constant de-a lungul perioadelor ce sunt relevante pentru arheologie.

Se subintelege ca mineralele au fost expuse raditiei nucleare rezultate din radioactivitatea naturala inca de cand s-au format, iar atunci cand olarul a luat lutul, mineralele existente in el contineau deja o termoluminiscenta geologica puternica. Arderea insa a drenat toate termoluminiscentele anterioare, fixand asadar ceasul la zero. Indata ce obiectul s-a racit, termoluminiscenta arheologica incepe sa se acumuleze cu o rata aproape constanta; astfel ca termoluminiscenta masurata in prezent este proportionala cu varsta. Din cauza ca termoluminiscenta se observa doar la incalzirea probei uneori este folosit termenul de termoluminiscenta latenta - atunci cand se face referire la procesul de acumulare. Cantitatea de termoluminiscenta este proportionala cu fluxul de radiatii si cu capacitatea mineralelor de absorbtie a termoluminiscentei.

Radioactivitatea naturala cauzeaza termoluminiscenta latenta acumulata, astfel ca, cu cat obiectul este mai vechi, cu atat produce mai multa lumina. Prin urmare, datarea cu ajutorul termoluminiscentei determina, de fapt, ultimul moment in care un cristal a fost incalzit si electronii au fost eliberati. Mineralele utilizate pentru datarea cu termoluminiscenta sunt: cuartul, feldspatul, diamantul si calcitul. Ultima data cand cristalul a fost reincalzit, iar electronii sai eliberati poate fi cunoscut ca si "momentul de pornire (resetare) a ceasului" (termoluminiscent). Aceste fenomene sunt posibile atunci cand obiectele sunt incalzite la temperaturi peste 350^oC.

Prin urmare, in arheologie, datarea cu ajutorul termoluminiscentei functioneaza in cazul ceramicii, cuptoarelor de gatit, a rocilor cazute accidental sau tratate deliberat in foc, cum ar fi unele unelte litice sau din sisturi silicioase si calcitul stalagmitic. Cand sunt luate probe pentru datarea termoluminiscenta trebuie prelevate mai multe fragmente ceramice mai mari decat 1 gr. Acestea nu trebuie expuse la caldura iar probele compuse din pulberi nu trebuie expuse la lumina puternica. Luarea unei probe de pamant necesita desemenea colectarea in astfel incat sa poata fi masurata radiatia ambientala. De asemenea, ar trebui masurata si umiditatea solului. Probele prelevate ar trebui plasate in pungi polietilene si sigilate cu banda.

Pentru testarea datarii, se aplica trei etape:

1.      Masurarea intensitatii luminiscente a probelor

2.      Raportarea intenistatii luminiscente la doza de radiere care iradiaza proba cu o sursa radioactiva calibrata

3.      Determinarea dozei per an referitoare la expunerea probei

Pentru calcularea datei se foloseste formula:

MIN (Mediul inconjurator Natural) rata dozei artificiale

Data = ------------------------------------------------- x -------------------------

MA (Mediul Artificial) rata dozei anuale

Aceasta doza are o evolutie aproape lineara. Abaterile existente sunt determinate de saturatie sau de supralinearitate. Limitele metodei sunt impuse de diferiti factori, determinati de conditiile in care a stat mostra: radiatia locala, radiatia cosmica; sau de factori tehnici ca: temperatura de ardere si intensitatea luminii.

Cu toate ca termoluminiscenta (TL) are o clasa de varsta cu mult mai mare decat radiocarbonul, in general ea are o precizie mai redusa. In consecinta, atunci cand metoda radiocarbonului este disponibila iar esantioanele prelevate sunt de incredere, este de preferat aceasta tehnica. Atentionarea de mai sus necesita o clarificare: in ceea ce priveste ultimii 1000 de ani precizia acestei metode se poate compara cu cea a radiocarbonului, iar in ceea ce priveste ultimii 300 de ani, rezultatele metodei termoluminiscentei sunt net superioare, datorita fluctuatiilor scalei de timp utilizate de metoda radiocarbonului; in al doilea rand, in afara limitei de calibrare (in prezent-in jur de 10.000 BC), metoda radiocarbonului nu ofera varsta in ani calendaristici, si atunci este logica folosirea unor tehnici absolute (desi de o mai mica precizie).

Metoda termoluminiscentei reprezinta o tehnica inrudita cu cea a rezonantei electronilor de spin (ESR). Amadoua tehnici au acelasi mecanism de baza pentru inregistrarea trecerii timpului: spre deosebire de metoda radiocarbonului, semnalul care este inregistrat creste o data cu perioada de timp.

Bibliografie suplimentara:

Joukowsky, Martha. A Complete Manual of Field Archaeology, Tools and Techniques of Fieldwork for Archaeologists. Prentice Hall Inc. Englewood Cliffs, New Jersey 07632. 1980.

https://www.ph.ed.ac.uk/courseinfo/postgrad/html/node70.html. The Basic Principle of Luminescence Dating