Reflets de la Physique n°63 oct/nov/déc 2019
Reflets de la Physique n°63 oct/nov/déc 2019
  • Prix facial : gratuit

  • Parution : n°63 de oct/nov/déc 2019

  • Périodicité : bimestriel

  • Editeur : Société Française de Physique

  • Format : (210 x 297) mm

  • Nombre de pages : 68

  • Taille du fichier PDF : 7,6 Mo

  • Dans ce numéro : physique et matérieux anciens.

  • Prix de vente (PDF) : gratuit

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La datation par luminescence repose sur la capacité des minéraux à stocker l’énergie provenant des particules émises par la radioactivité naturelle. Il est ainsi possible de dater la dernière exposition à la lumière d’un minéral ou encore son dernier chauffage. Nous présentons ici les bases physiques et les récents développements de cette méthode de datation, plus proche de la réalité des situations archéologiques, telle que la prise en compte des effets de l’altération des objets dans le sol. L’analyse d’un grain unique permet de dater des évènements correspondant à une brève exposition du grain à la lumière, comme la fabrication des mortiers de construction. 8 Reflets de la Physique n°63 La luminescence Un bref éclairage sur une méthode de datation pour l’archéologie Pierre Guibert (pierre.guibert@u-bordeaux-montaigne.fr) Institut de Recherche sur les Archéomatériaux (UMR 5060 CNRS) et Centre de recherche en physique appliquée à l’archéologie (IRAMAT-CRP2A) Université Bordeaux-Montaigne, Maison de l’archéologie, 33607 Pessac Cedex Avec la collaboration de Norbert Mercier et de Christelle Lahaye, membres de l’IRAMAT-CRP2A. Chacun connait l’importance du temps dans la perception des processus historiques. Au musée, en ville, sur un site archéologique, la datation est omniprésente pour caractériser l’ancienneté des objets observés, importante pour en retracer l’origine. Donner un âge n’est pourtant pas un acte si évident lorsqu’aucune inscription ou donnée historique écrite ne fournit l’information. De nombreuses voies de datation sont possibles selon l’objet d’étude, comme par exemple des procédés comparatifs (nous connaissons tous le style des constructions romanes ou gothiques) qui supposent l’existence d’un référentiel bien calé chronologiquement, cependant susceptible d’évoluer en fonction de l’accumulation des connaissances. Nous nous intéresserons ici à l’une des méthodes physiques de datation, la luminescence. Cette méthode permet de remonter à la datation du dernier chauffage supérieur à 300°C ou à la dernière exposition à la lumière de minéraux, et couvre une bonne partie de l’histoire de l’homme (d’il y a 300 000 ans environ jusqu’à nos jours). Elle a connu d’importantes évolutions ces dernières décennies, voire même un renouvellement des concepts depuis peu, sous l’effet conjugué de la réalité des terrains et des développements instrumentaux, dans le cadre des nouvelles problématiques archéologiques. Luminescence cristalline, radioactivité et mesures d’âge Nous rappelons ici succinctement les bases de la méthode de datation par luminescence. Un lecteur intéressé par un approfondissement du sujet pourra se référer à l’ouvrage de M.J. Aitken [1]. La datation par luminescence est une méthode paléodosimétrique. En ce sens elle est basée sur le fait que les minéraux naturels jouent le rôle de dosimètres, enregistrant la dose d’irradiation provenant de la radioactivité naturelle de l’objet lui-même et de son environnement. On mesure ainsi par luminescence (restitution sous forme de lumière) la quantité d’énergie accumulée depuis l’instant zéro à dater  : la dose archéologique. Cela permet de déterminer la durée d’exposition à l’irradiation naturelle, connaissant par ailleurs le débit de dose absorbé annuellement par le minéral « dosimètre », que l’on suppose constant dans le temps. Le mode de mesure de la dose archéologique par luminescence se fait en général selon deux procédés qui donnent leur nom à deux méthodes jumelles  : chauffage du minéral jusqu’à des températures voisines de 500°C, c’est la luminescence stimulée thermiquement (ou thermoluminescence, TL) ; éclairement, il s’agit alors de la luminescence stimulée optiquement (OSL).
À la base de la méthode, on trouve donc des minéraux et la radioactivité naturelle. Les minéraux les plus couramment utilisés en datation sont le quartz (dioxyde de silicium, SiO 2) et les feldspaths (aluminosilicates calcosodiques et potassiques), car ils sont présents pratiquement partout sur l’écorce terrestre et offrent des propriétés de luminescence exploitables en datation. On utilise aussi la calcite (carbonate de calcium, CaCO 3) comme support de datation, mais son usage est moins fréquent. Du point de vue physique, la luminescence cristalline a pour origine l’existence de défauts et d’impuretés chimiques à E A Bande de conduction (BC) Bande de valence BV 2. Équipements de datation par luminescence et postes de travail à l’IRAMAT-CRP2A (Pessac). Les expérimentateurs sont Petra Urbanová et Brice Lebrun (clichés  : P.Got, Univ. Bordeaux, etC. Lahaye, IRAMAT-CRP2A). l’échelle atomique. Par exemple, l’impureté naturelle la plus fréquente pour le quartz est l’aluminium à des concentrations massiques de l’ordre de quelques dizaines de parties par million (ppm). Ainsi, l’ion aluminium Al 3+ se substitue à l’ion silicium Si 4+ dans le réseau cristallin au moment de la formation du minéral, et il apparait localement une charge négative (en fait un défaut de charge positive) qui peut être compensée par d’autres défauts ou impuretés dites compensatrices qui s’intercalent, telles que des ions alcalins Li +, Na +, ou un ion hydrogène H +. BC BC BC. BC Électron piégé IL 1'éclairement chaleur À luminescence Trou piégé o a b Irradiation (α, β, γ) o c o d o e o A Physique des atomes comme source d’information Du point de vue de la répartition énergétique des électrons, les minéraux naturels qui nous intéressent sont des isolants, transparents et à large bande interdite (5 à 10 eV – électronvolt – entre bande de valence et bande de conduction). La présence d’impuretés et de défauts ponctuels entraine l’existence de niveaux énergétiques à l’intérieur même de la bande interdite, qui se répartissent selon la capacité du défaut à donner ou à accepter un électron au cours de l’irradiation (fig. 1a). La radioactivité naturelle est omniprésente, mais elle est d’intensité très variable selon les matériaux, les objets étudiés et » > BV BV BV BV 1. Illustration schématique du processus de génération et de capture de charges électriques sous l’effet de l’irradiation, et de la luminescence par activation optique ou thermique du solide préalablement irradié (  : électron ;  : trou). (a) Modèle de bandes simplifié d’un minéral naturel isolant, avec deux niveaux d’impuretés dans la bande interdite (E représente l’énergie). (b) L’irradiation transfère des électrons de la bande de valence vers la bande de conduction. (c) Des électrons mobilisés par l’irradiation peuvent être capturés par des pièges à électrons ; réciproquement, des trous électroniques se trouvent capturés au niveau des pièges à trous. (d) Une stimulation thermique (chaleur) ou optique (éclairement) peut apporter l’énergie nécessaire à la libération des charges piégées (ici transfert d’un électron dans la bande de conduction). (e) Le transfert d’énergie dû à la recombinaison d’un électron et d’un trou piégé produit une luminescence. Reflets de la Physique n°63 9



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