Termoluminesenssi

Termoluminesenssillä tarkoitetaan hitaasti laukeavaa luminesenssiä, jossa elektronien viritystila puretaan lämmittämällä ainetta, jolloin vapautuu energiaa (fotoneja). Vapautuvan energian määrä on verrannollinen säteilyn määrään, jonka aine on saanut. Tätä ominaisuutta käytetään hyväksi termoluminesenssiajoituksessa, joka perustuu kiteisten mineraalien saaman säteilyannoksen mittaamiseen kuumentamalla niitä. Kuumennettaessa ainetta se emittoi heikkoa valoa, joka on luminesenssia. Termoluminesenssiajoituksella saadaan selville, milloin ainetta on viimeksi kuumennettu.

Mekanismi

Termoluminesenssin kolme vaihetta: säteilytys, loukkuuntuminen ja emissio (Keizars, 2008b).

Säteilyä absorboineet aineet voivat emittoida valoa eri tavoilla. Niitä ovat fluoresenssi ja fosforenssi. Fluoresenssi määritellään loiste-ilmiöksi. Siinä aineessa olevat viritystilat laukeavat spontaanisti. Viritettäessä elektroneja säteilyn avulla korkeammille viritystiloille valoa emittoituu $10^{-8}$ sekunnissa säteilyn absorboitumisesta. Eli valoa nähdään vain kun ainetta säteilytetään. Fosforenssin tuottamaa valoa voidaan tarkastella myös säteilyttämisen jälkeen. Fosforenssissa ionisoiva säteily aiheuttaa elektronien siirtymisen meta­stabiileille energiatiloille, loukkuihin, joista ne eivät palaudu perustilaan, koska tämä on valintasääntöjen mukaan täysin tai osittain kiellettyä. Kun tunnetaan metastabiilia tilaa korkeampi viritystila, voidaan elektroni saada keinotekoisesti nousemaan tällaiselle korkeammalle viritystilalle, jolta se palaa spontaanisti perustilaansa ja emittoi fotonin. Tällöin systeemiin täytyy tuoda energiaa. Termoluminesenssissa tämä energia tuodaan juuri lämmittämällä ainetta vähintään $450^{o}C$:een . Fosforenssia sanotaan termoluminesenssiksi juuri sen takia, että lämpötilan nousu saa metastabiilit tilat tyhjenemään nopeasti. Termoloiste on lämpöstimuloitua valon emissiota säteilylähteen poiston jälkeen. Systeemi saadaan tuottamaan jatkuvaa valoemissiota (fosforenssia) lämmittämällä systeemiä pidempään. Emissio jatkuu vähentyvällä intensiteetillä kunnes metastabiileilla tiloilla ei ole enää varauksia. Jos loukkutilan elektronienergia on $E_{t}=E_{c}-\epsilon _{t}$, on elektronien irroittumisvauhti:

${\frac {dn}{dt}}=\nu exp\left(-{\frac {\epsilon _{t}}{k_{B}T}}\right)$,

missä $\nu$:n tyypillinen kokeellinen arvo on $10^{-8}$ 1/s. Jos ainetta, jossa on loukkuihin tarttuneita elektroneja, lämmitetään sopivalla vakionopeudella, ja mitataan luminesenssin intensiteettiä lämpötilan funktiona, saadaan aineelle ns. hohtokäyrä (eng. glow curve), jossa intensiteettihuiput sijaitsevat kohdilla, missä k_BT on $\epsilon _{t}$:n luokkaa . Hohtokäyriä on nähtävissä esimerkiksi Louis Reyn julkaisussa .

Kun termoluminesenssi on lämmittämisen johdosta laskenut nollaan, voidaan näyte tehdä uudelleen termoluminoivaksi altistamalla se yhdelle monista mahdollisista energialähteistä kuten: röntgen- tai gammasäteilylle, elektronisuihkulle, nukleoneille, ultraviolettivalolle ja joissain tapauksissa jopa lyhytaaltoiselle näkyvälle valolle (violetti ja sininen).

Kirjallisuutta

R. Chen, S.W.S. McKeever: Theory of Thermoluminescence and Related Phenomena. Singapore: World Scientific, 1997. ISBN 9810222955.

Lähteet

Luminesenssin alalajit

• elektroluminesenssi
• fotoluminesenssi
  • fluoresenssi
  • fosforesenssi
• kemiluminesenssi
  • bioluminesenssi
• termoluminesenssi
• triboluminesenssi
• radioluminesenssi
• sonoluminesenssi