Termoluminestsents

Fluoriidi termoluminestsents

Termoluminestsents on üks luminestsentsi vorme, mis on täheldatav mõne kristallilise materjali juures. See esineb siis, kui materjal on eelnevalt neelanud elektromagnetilist energiat või mõnda muud ioniseerivat kiirgust ja hiljem kuumutades eraldub see neeldunud energia valgusena.

Füüsika

Küllalt suure energiaga kiirgus suudab viia kristallilises materjalis elektronid ergastatud olekusse. Tavaliselt eraldub neelatud energia pärast kiirguse lõppu, kui elektronid taastavad oma tavapärase oleku, kuid mõnes materjalis on ergastatud olekud "lõksustatud" pikemaks ajaks, salvestades energiat. Sõltuvalt lõksude sügavusest muutub ka aeg, kui kaua elektronid seal püsivad. Mõnest lõksust saavad elektronid lahkuda varsti pärast ergastamise lõppu, aga on ka lõkse, mis on piisavalt sügavad, et talletada laeng sadadeks tuhandeteks aastateks. Lõksud tekivad lokaliseeritud defektidest võres, mis segavad normaalseid aatomite- või molekulidevahelisi interaktsioone. Kvantmehaaniliselt on need ergastatud olekud statsionaarsed seisundid, neil ei ole kindlat sõltuvust ajast, aga nad ei ole energeetiliselt stabiilsed. Kõikides looduslikes kristallilistes materjalides on ebapuhtusi, kas siis lisandioone, sisepingete nihkeid või muud, mis häirivad tavapärast aatomeid kristallstruktuuris hoidvat elektrivälja. See põhjustab kõikumisi elektrilises potentsiaalis. Nende võnkumiste tippudesse võibki vaba elektron lõksu jääda. Materjali kuumutades saavad lõksustunud olekud interakteeruda foononitega et siis kiiresti siirduda madalama energianivooga tasemele, põhjustades footonite kiirgumise.

Lihtne katse

Termoluminestsentsi saab igaüks näha vägagi lihtsasti kättesaadavate vahenditega. Ajage korralikult kuumaks toidutegemisplatvorm, näiteks elektri- või puiduküttega pliit. Pimendage tuba, kus pliit töötab (õhtusel ajal kustutage tuled, päevasel ajal tõmmake ette võimalikult paksud kardinad), et efekt paremini välja paistaks. Võtke liiva, mis on pikemat aega olnud eemal päikesevalgusest, ja visake seda pliidile. Juba mõne hetke pärast vabastab iga liivatera endas salvestunud energia, tuues endaga kaasa ilusa valgusmängu.

Esemete vanuse määramine termoluminestsentsiga

Esemete vanuse määramisel termoluminestsentsi abil mõõdetakse, kui suur summaarne kiirguse doos on kristallilisi mineraale sisaldavas materjalis jäänud lõksu alates ajast, mil tal oli viimati kokkupuude kuumuse (kivimite korral laava või keraamika korral ahjuga) või otsese päikesevalgusega (setete korral). Seega eeldab selline dateerimine nullistavat sündmust, mis tühjendaks hõivatud lõksud. Selleks nullistavaks sündmuseks on kuumutamine. Kui seda materjali uuesti kuumutada, siis kiirgab materjal termoluminestsentsi toimel nõrka valgust, mis vastab samale radiatsioonile, mis temas kahe nullistava protsessi vahel on neeldunud ja mida saab siis mõõta. Mida pikem aeg möödub, seda rohkem laenguid lõksudesse koguneb. Eri materjalide ja esemete mõõtmisel on vaja materjalid kalibreerida kindla kiirguse ja doosiga, kuna lõksude tihedused võivad olla väga varieeruvad. Selgeks tuleb teha keskmine kiirguse saamise kiirus, mida tehakse proovi ümber ja proovis sisalduva loodusliku kiirguse mõõtmisel. See protsess on enamasti kogu dateerimise kõige keerukam osa ja määrab lõpliku mõõtmise täpsuse. Termoluminestsentsi dateerimist kasutatakse siis, kus radiosüsiniku meetod ei ole võimalik (näiteks setete korral).

Veel rakendusi

Termoluminestsentsi saab kasutada tavalistes tahkefaasilistes uuringutes, kuna väikeste ebapuhtustega kristallid on kõikide tänapäevaste tahkete materjalide nurgakivideks. Termoluminestsentsi abil saab teha palju tundlikuma kiirguse indikaatori kui Geigeri loendur, mis teeb hetkelisi lühiajalisi mõõtmisi, sest termoluminestsentsil põhinev mõõtur reageerib summaarsele kiirgusele läbi aja. Et kaitsta inimesi, kes töötavad tuumareaktorite või mõne muu ohtliku radioaktiivsuse allika läheduses, kannavad nad liitiumfluoriidist märke. Inimesed, kelle käed on paljastatud ohtlikule kiirgusele, kannavad erilisi sõrmuseid. Need märgid ja sõrmused lõõmutatakse enne käikulaskmist ja hiljem saab nende termoluminestsentsi mõõtes teada, kui suure kiirgusdoosi on inimene saanud.