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

Inhaltsverzeichnis 1 Entdeckung 2 Grundlage 3 Archäologische Anwendung 4 Andere Anwendungen der Thermolumineszenz 5 Vorteile der Thermolumineszenz als Methode der Dosimetrie (Thermolumineszenzdosimeter) 6 Verwandte Verfahren 7 Literatur 8 Weblinks

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

Beim Erhitzen emittieren Körper mit steigender Temperatur zunächst Wärmestrahlung, später auch sichtbares Licht. In bestimmten Fällen zeigen Festkörper bereits bei tieferen Temperaturen zusätzliche Lichtemissionen. Diese zusätzliche Strahlung tritt nur beim erstmaligen Erhitzen auf. Es handelt sich um die einmalige Freisetzung von Energie, die im jeweiligen Festkörper gespeichert war. Diesen Vorgang nennt man Thermolumineszenz (TL).

Archäologische Anwendung

Thermolumineszenz wird in der Archäologie als Methode zur Altersbestimmung von Keramikobjekten oder anderweitig gebrannten Artefakten verwendet. Sie dient dabei als Ergänzung zur Radiokarbonmethode (auch: C14-Datierung), insbesondere dort, wo Datierungen jenseits der begrenzten Reichweite von C14 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 - das Sonnenlicht oder das umgebende Sediment zu dieser Aufladung bei (äußere Quellen). 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 ca. ± 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.

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.

Vorteile der Thermolumineszenz als Methode der Dosimetrie (Thermolumineszenzdosimeter)

• Asynchrone Auswertung: Die absorbierte Strahlenenergie bleibt über lange Zeiträume nahezu verlustfrei (< 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. LiF) sind hitze- und säureresistent als auch wasserunlöslich, was die Strahlenerfassung auch unter ungünstigen Umweltbedingungen ermöglicht (z. B. Weltraumdosimetrie).

Unsicherheitsfaktor: Zur Entwicklung der Thermoluneszenz Methode erhobenen Daten wurde unter anderem die C14 Datierung verwendet.

Sind die Daten der zugrundeliegenden C14 Datierung falsch, und das ist bei vielen frühen Daten wahrscheinlich, ist folglich auch das Datum der mit Hilfe der Thermolimiszenz 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 Thermoluminiszenz 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.

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.

Weblinks

• Versuch: Thermolumineszenz auf chemieunterricht.de
• Thermolumineszenz - Universitäre Forschung und Anwendung
• „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)

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