III- Deux differents types de luminescence des mineraux : la thermoluminescence et la photoluminescence

    La thermoluminescence est un phénomène physique qui traduit la propriété qu'on certains cristaux d'émettre de la lumière.

    C'est Sir Robert Boyle qui, en 1663, est le premier à faire la description scientifique de la thermoluminescence. Dans son expérience, il chauffa un diamant (à une température n'excédant pas 600°C) Il décrivit une "étrange et pâle lueur" émise par le diamant dans l'obscurité. A cette époque, le scientifique pensait avoir découvert la pierre philosophale à cause de la propriété étonnante et miraculeuse de cette pierre. 

 

Réaction de Thermoluminescence

 

La thermoluminescence est connue des scientifiques depuis déjà de nombreuses années, mais ce n'est qu'en 1945 que sera développée par J.T. Randall et M.H.F. Wilkins la première théorie permettant d'expliquer scientifiquement l'émission lumineuse de certaines pierres lors d'un chauffage.

Ce phénomène de luminescence consiste en la réémission d'une énergie reçue par le biais d'une irradiation sous la forme d'un photon. Il s'explique par le passage des électrons d'un niveau d'état à un autre (état fondamental => état excité => état fondamental). C'est en retrouvant son état fondamental qu'il dégage un photon lumineux hv.

Or, il existe certains corps pour lesquels on trouve des niveaux métastables situés entre deux niveaux classiques. Ainsi, dès que l'irradiation a lieu, les électrons sont pris dans ce niveau métastable appelé la bande interdite ou niveau piégé. Donc, les électrons ne pouvant plus changer d'état ne peuvent émettre de photons, le phénomène lumineux n'a alors pas lieu. C'est maintenant qu'intervient la chaleur qui fournit l'énergie nécessaire à libérer les électrons et ainsi leur permettre de retourner enfin à leur état fondamental  en émettant le photon.

 

            Les bandes permises et les bandes interdites

 

    Pour correctement saisir le principe de la thermoluminescence, il faut tout d'abord commencer par expliquer ce que sont les bandes de cristaux, soit les bandes de valence et les bandes de conduction. Dans un cristal parfait les électrons peuvent occuper les bandes permises qui sont elles-mêmes sépares par les bandes interdites, lieu où les électrons ne doivent pas demeurer.

    La dernière bande, celle qui est pleine d'électrons est appelée "bande de valence" et la première bande, celle qui est vide est appelée "bande de conduction". Par absorption d'énergie, un électron peut passer de la bande de valence à la bande de conduction  (passage de l'état fondamental à l'état excité). Mais le déplacement de cet électron vers la bande de conduction laisse, dans la bande de valence un "trou" qui est la représentation d'un manque d'électron.

   Le troisième niveau est la "bande interdite", elle est constituée de défauts, d'impuretés ou d'atomes étrangers, qui parfois peuvent prendre au piège les électrons de passage.

Thermoluminescence

 

            Le mécanisme de thermoluminescence

 

    Dans le principe de thermoluminescence, l'énergie provoquant le passage des électrons de la bande de valence à la bande de conduction est due  à l'irradiation des rayons α, β ou γ ainsi qu'aux rayons cosmiques. Mais, une fois le passage effectué l'électron entre les deux bandes résultant de l'irradiation, ce dernier est alors pris au piège, l'électron ne peut rechanger de niveau d'énergie. C'est enfin qu'intervient l'énergie thermique.

Electron piégé

 

Electron piégé

    La chaleur rompt alors les interactions qui retenaient les électrons, pouvant ainsi laisser l'électron retourner à son état initial en émettant un photon hv. Cette première émission de lumière est appelée "relaxation radiative". L'électron retournant dans sa bande de valence se recombine avec le "trou" qu'il avait laissé au départ. De cette recombinaison se libère une nouvelle énergie ainsi qu'une impureté. Cette énergie va alors exciter l'impureté libérée qui, lors de son retour à l'état fondamental fournira un nouveau photon lumineux hv2.

 

Chauffage du cristal :

 

Chauffage du cristal

 

Utilisations de la thermoluminescence : La Dosimétrie

 

    Pour les archéologues : La thermoluminescence possède une fonction de datation fortement utilisé chez les archéologues. En effet, ce principe repose sur le fait que les doses d'irradiation reçue par un objet ou par un cristal s'accumulent le long des années. Le principe est logique, comme nous venons de le voir, les pierres soumises à des irradiations voient leurs électrons changer de niveau d'énergie et pris au piège dans la bande interdite. Les irradiations s'accumulent au cours du temps donc plus la pierre y reste exposé longtemps plus il y aura d'électrons piégés dans la bande interdite et il y aura toujours de plus en plus d'électrons bloqués tant qu'il n'y aura pas de stimulation thermique. Les scientifiques et archéologues prélèvent alors cette pierre de sous la terre et la chauffe à 600°C. Cette chaleur libère tous les électrons piégés depuis de nombreuses années par conséquent il y aura une quantité de lumière assez importante, c'est alors la dose archéologique. C'est cette quantité de lumière émise par thermoluminescence qui permet qui permet de déterminer l'âge de l'objet si la dose annuelle d'irradiation est connue.

Thermoluminescence

Il est cependant important que la dose d'irradiations reçue annuellement soit restée constant au cours de la vie de l'objet, car si jamais l'objet avait subit une surchauffe par un incendie ou une coulée de lave par exemple cela aurait libéré les électrons pris au piège et par conséquent cela mettrait "le compteur de la pierre à zéro".

   Après cette remise à zéro, on soumet l'échantillon à une irradiation dans des conditions contrôlées, puis on mesure à nouveau la quantité de lumière émise par chauffage afin d'en déduire la dose annuelle reçue par l'échantillon. Elle est calculée en tenant compte de la composition de l'échantillon, en radioéléments, du rayonnement cosmique et de la teneur en eau qui absorbe une part de la radioactivité.

   A partir de la dose archéologique et de la dose annuelle, on peut calculer facilement l'âge de l'objet grâce au calcul suivant :

Calcul âge objets

    De plus de dater, la thermoluminescence peut aussi authentifier des objets en terre cuite ou en poterie tels des sculptures... En effet, on peut comparer plusieurs objets de même matière, qui devrait normalement correspondre à la même époque. On peut donc grâce à la thermoluminescence "démasquer" les faux objets des authentiques. 

    Dans la médecine Il s'agit dans ce domaine de déterminer la quantité de radiation délivrée à un organe interne malade, et de cette information, les médecins sont capables de prescrire les traitements convenables. Les domaines d'utilisations de ce type de dosimètre sont le diagnostic radiologique ( sous les Rayons X) et la radiothérapie (thérapie des cancers). Pour connaître cette quantité de radiation délivrée à aux organes, les médecins vont introduire des minéraux thermoluminescents de très petites tailles à travers les orifices du corps humains avant d'exposer le patient aux radiations lors des thérapies. Le minéral est par la suite, retirée et analysé. C'est ainsi que les spécialistes connaissent la quantité de radiation qu'a subit l'organe concerné.

    Pour l'environnementDans le domaine de la protection de l'environnement, on utilise les matériaux thermoluminescents afin de contrôler et ainsi de surveiller les radiations que peuvent émettre les centrales, les déchets et les accidents nucléaires. La dosimétrie de l'environnement et un facteur important dans le domaine du nucléaire car elle permet de détecter des fuites de radiations pouvant être dangereuses ce qui assure une meilleure sécurité.

    Pour les astronautes :  La dosimétrie thermoluminescente est aussi utilisée dans le domaine de l'aérospatial car les astronautes sont soumis très souvent durant leurs missions à une grande dose de radiation.

 

Réaction de Photoluminescence

 

    La photoluminescence est un principe utilisé par les géologues, en effet, ils s'aident de ce types de lumière froide afin de déterminer quel minéral ils ont sous les yeux s'ils ne peuvent l'identifier directement. La photoluminescence est une sorte de luminescence du minéral qui se produit quand on éclaire le minéral, ou qu'on le soumet à des rayonnements invisibles de petites ou grandes longueurs d'ondes. Selon la couleur de la lumière renvoyé par le minéral et selon la longueur d'onde utilisé pour lui permettre d'émettre ce photon, les géologues peuvent déterminer le nom du minéral (semi conducteur).

Afin de bien comprendre ce phénomène nous expliquerons en détail chaque étape que subit le minéral pour émettre le photon lumineux spécifique grâce à sa couleur.

Son principe de fonctionnement est simple. Tout d'abord la photoluminescence est le résultat de l'excitation lumineuse de certains pigments solides du minéral dût à son exposition soit à la lumière naturelle, soit à des radiation ultraviolettes (UV) (=> ondes courte) soit, pour finir, à une lumière artificielle. On dit que la photoluminescence est un processus par lequel une substance absorbe des photons puis ré-émet des photons.

Les géologues exposent le minéral à la lumière, (lumière qui est constitué de photons), dans notre exemple, une lumière ultraviolet. Ces Photons viennent alors percuter les atomes du minéral. L'absorption d'un photon d'énergie donnée, provoque l'excitation d'une molécule qui passe dans un état excité instable (Cela ce produisant sous une température ordinaire). Les électrons qui sont situés sur les couches périphériques de ces atomes vont alors se déplacer (=>électrons excité) de la Bande de valence à la bande de conduction par cet apport d'énergie. Et de si tôt, les électrons vont se désexciter retournant à leur place initiale en émettant leur photon. La lumière émise par le minéral est normalement, d'une longueur d'onde plus longue que la lumière UV qui a permis d'exciter les électrons par conséquent elle va rentrer dans la zone visible de l'œil.

 

Photoluminescence

 

            Fluorescence et Phosphorescence

 

On parle de Fluorescence lorsque la luminescence ne dure que pendant le temps d'exposition aux rayons lumineux ou invisibles (ex: certaines fluorites, opale, calcite, gypse, l'ambre... )

Si la luminescence se prolonge après l'exposition, on parle de phosphorescence (ex: diamant)

 

            Les intensités d'ondes


La plupart des minéraux ne peuvent émettre de lumière que sous une seule longueur d'onde bien spécifique, ce qui est l'une des caractéristiques importantes du minéral. Par exemple le périclase n'est luminescent que sous des ondes longues (UV=350nm).


            Les scientifiques peuvent exposer les minéraux sous 3 longueurs d'onde d'Ultraviolet différentes


  • Les lampes procurant une émission d'UV ondes longues, principalement dans les longueurs d'ondes de 350-370 nm.
  • Les lampes procurant une émission d'UV ondes courtes.
  • Enfin, UV ondes moyennes.

Certains minéraux, tel la calcite, peuvent émettre des photons avec ces 3 intensités d'ondes UV différents. Cependant le minéral n'émettra pas la même couleur s'il est exposé sous une intensités d'ondes longue ou à une intensité d'onde coute.

 

Terlingua (Texas)


Par conséquent, les Géologues, pour déterminer quels minéraux ils ont à faire, les exposent sous les 3 longueurs d'ondes UV, notent sous laquelle ou lesquelles de ces intensités le minéral émet ces photons, et notent sa couleur émise. Grâce à ces informations, données à l'aide de la photoluminescence, les scientifiques peuvent identifier le minéral étudié.

Exemple de photoluminescence des minéraux :

  • Le Diamand, minéral phosphorésent de couleur verte ou bleu.
  • L'Ambre, minéral fluorésent sous des ondes longues de couleur bleu blanc, lumère verte sous ondes courtes.

 

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