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La datation archéologique par la radiothermoluminescence

Cette méthode de datation est basée sur la radioactivité naturelle, c'est à dire sur les rayonnements émis par la croûte terrestre, par son atmosphère et par le soleil et les étoiles.

Introduction

On a de bonnes raisons de croire qu'il y a 4,5 milliards d'années, une gigantesque explosion cosmique a engendré notre système solaire. Les éléments constitutifs des atomes, électrons, protons, neutrons, ont formé alors un "plasma" porté à très haute température qui s'est refroidi rapidement en donnant naissance à des atomes. Ces atomes sont des systèmes solaires miniatures constitués d'un noyau comprenant des particules appelées " protons " et " neutrons ", et, gravitant autour de lui, des " électrons ", particules 2 000 fois plus légères.

De la stabilité des atomes...

La plupart de ces atomes étaient stables. Dès leur naissance, ils répondaient aux lois de la physique. D'autres sont nés malformés; c'est à dire que les rapports du nombre des neutrons au nombre des protons contenus dans leurs noyaux n'étaient pas convenables. Ils étaient des atomes "instables". Cette instabilité se manifeste physiquement par la radioactivité, c'est à dire par une émission spontanée de rayonnements. Il s'agit, en fait d'une recherche spontanée de stabilité nucléaire et pour l'obtenir le noyau émet des rayonnements. Ces rayonnements peuvent être "particulaires" ou "électromagnétiques"; ils peuvent être matière ou lumière. Dans tous les cas, éjectés par le noyau, ils sont porteurs d'énergie qu'ils déposent dans la matière qu'ils "bombardent" et où ils pénètrent.

Depuis l'origine de la Terre, ces atomes instables radioactifs n'ont pas cessé de se désintégrer en envoyant de l'énergie autour d'eux. On sait que la radioactivité naturelle décroît depuis le "Big Bang" originel, mais en considérant une période historique - voire géologique - d'une durée relativement courte, on peut admettre que le dépôt d'énergie radioactive correspondant aux désintégrations naturelles, varie peu en fonction du temps écoulé.

Le principe de la thermoluminescence

1) La terre est extraite de la carrière

La datation par la radiothermoluminescence est basée sur la relative constance de ce débit de dose. Lorsqu'un minéral organisé, un cristal de quartz, d'alumine de feldspath, par exemple, est atteint par le bombardement dû à la radioactivité naturelle créée par ces atomes radioactifs de la croûte terrestre, il se produit un certain nombre de modifications de sa structure. Ces modifications de structure, pour la plupart d'entre elles, sont durables, et leur nombre est fonction du temps écoulé.

Or, si pour une raison quelconque, on apporte au cristal géologiquement "bombardé" une élévation de température suffisante, les modifications structurales induites au cours du temps par la radioactivité naturelle disparaissent. L'énergie apportée par le "bombardement" radioactif est libérée sous l'action de la chaleur et se manifeste par une apparition de lumière qui dure pendant tout le temps nécessaire au retour à l'état original. Ce phénomène s'appelle la radio-thermo-luminescence, c'est à dire qu'il s'agit d'une lumière induite par la radioactivité dans un minéral, et révélée par une élévation de la température.

Il est donc normal de rencontrer de nombreux cristaux naturels radiothermoluminescents dans la croûte terrestre.

Et la poterie, dans tout ça?

2) Le potier modèle une forme

Imaginons qu'un potier gallo-romain ait façonné un objet. Lorsqu'il le porte au four, les petits cristaux constitutifs de la poterie sont portés à haute température. Ils avaient subi une irradiation géologique naturelle et durant la montée en température du four, ils émettent de la lumière en quantité proportionnelle à la valeur de l'irradiation géologique reçue. Bien entendu, le potier gallo-romain n'a pas remarqué cette lumière ou il n'y a pas attaché d'importance. En fait, la radiothermoluminescence avait été remarquée et décrite par les alchimistes, qui, évidemment, ne l'avaient pas expliquée.

3) Le potier cuit la forme qui devient un vase (l'horloge archéologique est remise à zéro)

Lorsque la poterie a retrouvé la température normale, elle est de nouveau soumise à l'irradiation tellurique et cosmique. Cette irradiation est constante en fonction du temps et de nouveau le bombardement radioactif induit des modifications structurales de la matière. Le potier avait, lors de la cuisson, en quelque sorte remis l'horloge archéologique à zéro.

Si, de nos jours, on soumet un prélèvement de cette poterie à un chauffage convenable dans un appareil capable de mesurer les quantités de lumière émise, on pourra, connaissant la quantité de lumière correspondant à une année d'irradiation, se faire une idée précise de la date de fabrication de l'objet.

4) La poterie après usage est enfouie dans le site archéologique. Elle reçoit le rayonnement cosmique (soleil + galaxies) et le rayonnement tellurique

Pour connaître le débit de dose naturelle, on peut faire des mesures de la radioactivité du terrain où l'objet a été découvert et en déduire le débit de dose annuel, ainsi que la thermoluminescence annuelle correspondante. Dans la plupart des cas, le contexte géologique permet de faire une hypothèse raisonnable sur la valeur de ce débit de dose qui peut être éventuellement reproduit au Laboratoire avec des sources radioactives d' intensité étalonnée.

En fait, on utilise la division suivante:

Pour finir

On remarque que la méthode ne s'applique qu'à des objets minéraux ayant subi une cuisson, c'est à dire, terres cuites, poteries, céramiques, etc ...

La méthode dite au Carbone 14 ne s'applique qu'à des vestiges d'objets vivants (plantes et animaux).

Les deux techniques de datation sont, en fait, complémentaires et ne peuvent pas être opposées.

nota: on appelle "débit de dose" la quantité d'énergie déposée par le rayonnement par unité de temps.