La datation par thermoluminescence.

Un cristal exposé à des rayonnements emmagasine de l'énergie qu'il émet ensuite sous la forme de lumière quand on le chauffe. Grâce à ce phénomène, on date des statuettes en terre cuite.

En 1663, le physicien et chimiste irlandais Sir Robert Boyle (1627; 1691) découvre qu'un diamant chauffé émet une lueur. Puis, au début du)(XC siècle, Pierre et Marie Curie remarquent d'intenses colorations dans des verres et de la porcelaine exposés aux rayonnements: ces couleurs disparaissent dans une lueur fluorescente quand ces substances sont chauffées. Ces phénomènes résultent de la thermoluminescence.

Ce phénomène est fondé sur l'accumulation par les minéraux, tels le Quartz , l'alumine ou le Feldspath , de l'énergie provenant de la radioactivité ambiante. Un chauffage à 500 °C ou une exposition à la lumière durant toute une journée libèrent cette énergie sous forme lumineuse. Ces deux propriétés, accumulation et remise à zéro, sont les piliers de plusieurs méthodes de datation. On mesure, d'urie part, la paléodose, c'est-à-dire l'énergie emmagasinée depuis la dernière remise à zéro et, d'autre part, la dose reçue chaque année par l'échantillon: le rapport de la paléodose sur la dose annuelle fournit l'âge de l'objet analysé.

Un principe et des processus.

Pour déterminer la paléodose, on dispose de plusieurs techniques, chacune donnant son nom à une méthode de datation. On mesure la quantité de lumière produite par un échantillon quand il est soit chauffé, c'est la thermoluminescence, soit éclairé, c'est la luminescence stimulée optiquement. On peut aussi mesurer directement la paléodose par résonance paramagnétique électronique (une technique qui met en évidence les composés ayant au moins un électron célibataire). Nous nous limiterons à la description des mécanismes des deux premières, regroupées sous le terme générique de datations par luminescence. Cependant, ce que nous présentons peut être étendu à la résonance paramagnétique électronique. Enfin, nous détaillerons un exemple récent de ce que ces techniques apportent à l'art, la datation des collections de tanagras du Louvre.

Dans une première étape, on mesure la thermoluminescence naturelle en chauffant un échantillon et en mesurant la lumière émise. Il est alors « remis à zéro. » Puis, afin de quantifier la dose (exprimée en Gray) d'irradiations reçue par l'échantillon depuis son dernier chauffage, c'est-à-dire la paléodose, on irradie à nouveau l'échantillon dans des conditions contrôlées et l'on mesure l'irradiation nécessaire à une thermoluminescence identique à la précédente. La dose annuelle (en milligray par an) reflète les conditions de conservation de l'objet au cours du temps. Elle est calculée à partir des quantités de radio éléments, tels l'uranium, le thorium et le potassium, de l'échantillon et de son environnement, ainsi que du débit du rayonnement cosmique mesuré aujourd'hui. De plus, elle prend en compte la teneur en eau, car celle-ci, contenue dans les terres cuites, absorbe une part de la radioactivité: la dose est plus importante dans les céramiques sèches que dans celles humides. Puisque l'effet du milieu est ainsi intégré dans le calcul, il s'agit bien d'une méthode de datation absolue. Un modèle de bandes (voir la figure 2) éclaire le processus physique mis en jeu. Les défauts cristallins créent des niveaux d'énergie dans la bande interdite (quand on calcule les niveaux d'énergie d'un cristal, on voit que certaines énergies sont impossibles, elles constituent la bande interdite). Lors de l'irradiation, des électrons absorbent l'énergie fournie et passent de la bande de valence (les niveaux d'énergie où les électrons restent confi- nés dans les atomes) dans la bande de conduction (les niveaux d'énergie où les électrons circulent d'un atome à l'autre au sein du cristal). La rone entre la bande de conduction et la bande de valence est la bande interdite. La plupart des électrons retournent directement à leur niveau initial en restituant l'énergie absorbée sous forme de lumière, c'est la fluorescence. Toutefois, certains électrons sont piégés par des défauts. Ils ne sortiront du piège qu'après un laps de temps pour revenir dans la bande de valence en émettant un photon, c'est la phosphorescence.

La durée de rétention dans le piège est fondée sur deux paramètres caractéristiques: l'énergie d'activation (mesurée en électron volts) est l'énergie nécessaire à l'électron pour quitter le piège; le facteur de fréquence (en hertz) est relié à l'excitation maximale de l'électron dans le piège. Par ailleurs, cette durée dépend de la température: plus celle-ci est élevée, plus l'électron est excité dans son piège et plus il a des chances de s'échapper. Ainsi, la thermoluminescence et la luminescence stimulée optiquement sont des phosphorescences accélérées, où de l'énergie, thermique ou optique, est apportée à l'électron pour le libérer du piège où l'énergie des rayonnements l'a placé.

Photon de 1 ~ phosphorescence m 500 °C, par exemple les céramiques, cette hypothèse est bien vérifiée. En revanche, la remise à zéro après une insolation n'est jamais totale: on doit alors tenir compte d'un reliquat. La dose annuelle est supposée constante au cours du temps. Cependant, elle varie selon la quantité de radio éléments de l'environnement. Le signal mesuré est supposé proportionnel à la dose de rayonnements emmagasinés. Néanmoins, cette croissance n'est pas linéaire et tend vers un maximum, un niveau de saturation, variable d'un minéral à un autre. Ainsi, on peut dater des quartz jusqu'à 100 000 ans et des feldspaths jusqu'à 300000 ans.

Puisque le débit de dose varie selon l'environnement, ces limites ne sont que indicatives. Dans les cas exceptionnels de sols très peu radioactifs, on date jusqu'à un million d'années. Pour des céramiques, âgées de moins de 10 000 ans, l'effet de saturation est négligeable.

Enfin, le signal mesuré est supposé stable au cours du temps, c'est-à-dire provenir de pièges dont la durée de vie à température ambiante est grande devant l'âge archéologique présumé. Toutefois, pour certains minéraux, la durée de vie effective est inférieure à ce que prévoit le modèle théorique de base, conduisant à une sous-évaluation de l'âge recherché.

Un problème de robinet.

La datation par luminescence devient un simple problème de robinet où, connaissant l'eau contenue à un instant t dans une baignoire et le débit de l'eau coulant du robinet, on cherche depuis combien de temps elle se remplit.

La solution de ce problème passe par la vérification de quatre hypothèses qui sont autant de contraintes sur la précision de la datation: la baignoire a-t-elle été vidée entièrement la dernière fois? Le débit du robinet est-il constant? Quelle est la capacité de la baignoire? Fuit-elle?

L'instant initial est censé être une remise à zéro totale du système. Quand une pièce est chauffée au-delà de 500 cC, par exemple les céramiques, cette hypothèse est bien vérifiée. En revanche, la remise à zéro après une insolation n'est jamais totale: on doit alors tenir compte d'un reliquat. La dose annuelle est supposée constante au cours du temps. Cependant, elle varie selon la quantité de radio éléments de l'environnement. Le signal mesuré est supposé proportionnel à la dose de rayonnements emmagasinés. Néanmoins, cette croissance n'est pas linéaire et tend vers un maximum, un niveau de saturation, variable d'un minéral à un autre. Ainsi, on peut dater des quartz jusqu'à 100 000 ans et des feldspaths jusqu'à 300000 ans. Puisque le débit de dose varie selon l'environnement, ces limites ne sont que indicatives. Dans les cas exceptionnels de sols très peu radioactifs, on date jusqu'à un million d'années. Pour des céramiques, âgées de moins de 10000 ans, l'effet de saturation est négligeable.

Enfin, le signal mesuré est supposé stable au cours du temps, c'est-à-dire provenir de pièges dont la durée de vie i. à température ambiante est grande! devant l'âge archéologique présumé.

Toutefois, pour certains minéraux, la durée de vie effective est inférieure à œ que prévoit le modèle théorique de base, conduisant à une sous-évaluation de l'âge recherché.