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Ein Artikel mit dem Titel «Thermolumiescence as a Research Tool» von drei Forschern der Universität Wisconsin markiert 1953 den Beginn der Nutzung dieses Phänomens für die Altersbestimmung. Ab 1969 erhält die Methode beträchtlichen Aufschwung dank der Arbeiten britischer und dänischer Forscher. Zunächst für die Datierung keramischer Objekte verwendet, wird sie anschliessend auch auf gebrannte Steine angewendet.
Ein Mineral besteht aus Atomen, die eine kristalline Struktur bilden. In dieser Struktur gibt es Anomalien, wie Plätze, die von fremden Partikeln besetzt sind. Wird das Mineral mit Ionen bestrahlt, etwa aus radioaktiven Quellen oder der kosmischen Strahlung, der die Erde ständig ausgesetzt ist, dringen diese Partikel in den Kristall ein und werden darin eingeschlossen. Durch die Bestrahlung sammelt sich so im Lauf der Zeit im Mineral Energie an. Je länger die Zeitspanne ist, umso grösser ist die Energie.
Findet von aussen eine plötzliche Reizung des Kristalls statt, beispielsweise durch deutliche Erhöhung der Temperatur, lösen sich die gefangenen Partikel. Bevor sie wieder an andere Atome gebunden werden, geben sie die angesammelte Energie in Form von Licht ab. Dadurch wird die radiometrische Uhr gewissermassen auf Null gestellt. Die Messung der abgegebenen Energiemenge ermöglicht demnach, den Zeitraum zu bestimmen, seit dem die Uhr zum letzten Mal auf Null gestellt wurde: zum Beispiel während der Erwärmung eines Silex-Werkzeugs in einem Feuer oder beim Brennen eines Tongefässes. Dabei muss die vom Objekt akkumulierte Energie verglichen werden mit der Ionenstrahlung, der seine Umgebung ausgesetzt ist. Teilt man die angesammelte Energie durch diese Strahlenmenge, erhält man das Alter. So wird die Datierung nach Thermolumineszenz für die Bestimmung sehr alter Objekte angewendet.
Bild: Jean-Marie Le Tensorer, modifiée d'apres Wagner 2007