Φυσική και Αρχαιολογία
Θερμοφωταύγεια, spin και μαγνητισμός

Από σελίδα του PhysicsWeb Μαϊος 2001

Άλλες μέθοδοι χρονολόγησης που εξαρτώνται έμμεσα από τη ραδιενέργεια είναι η χρονολόγηση με "θερμοφωταύγεια" και ο "συντονισμός του ηλεκτρονικού spin". Η χρονολόγηση θερμοφωταύγειας στηρίζεται στη μέτρηση της ενέργειας των ηλεκτρονίων που είναι παγιδευμένα στη κρυσταλλική δομή του αρχαιολογικού αντικειμένου. Αυτά τα ηλεκτρόνια έχουν εγκαταλείψει τα άτομα τους με την ακτινοβολία που έχουν δεχθεί από τα ραδιενεργά στοιχεία στο δείγμα, ή στο περιβάλλον του δείγματος, και έχουν παγιδευτεί ύστερα στις ατέλειες του δικτυωτού πλέγματος του κρυστάλλου. Τα ηλεκτρόνια απελευθερώνονται από τις παγίδες, με τη θέρμανση του δείγματος ­ παραδείγματος χάριν όταν ένα δοχείο μπαίνει στη φωτιά ή όταν μια τσακμακόπετρα ανάβει ­ ή και με την έκθεση στο φως. Με άλλα λόγια, η θέρμανση επαναρυθμίζει το "ρολόι θερμοφωταύγειας" σε μηδέν. Ο αριθμός παγιδευμένων ηλεκτρονίων συναθροίζεται με ρυθμό που ελέγχεται από την τοπική πηγή ακτινοβολίας.

Προκειμένου να χρονολογηθεί το αντικείμενο, το δείγμα αρχικά θερμαίνεται εκ νέου και η ενέργεια ηλεκτρονίων καθορίζεται με τη μέτρηση του φωτός που εκπέμπεται, όταν επανασυνδυάζονται τα ηλεκτρόνια με τα αποκαλούμενα κέντρα φωταύγειας στον κρύσταλλο. Εάν το τοπικό επίπεδο της ακτινοβολίας από το δείγμα και το περιβάλλον στα οποία θάφτηκε είναι γνωστό, η αντίστοιχη συσσωρευμένη θερμοφωταύγεια, μπορεί να παράσχει μια εκτίμηση της ηλικίας του αντικειμένου δεδομένου ότι το "ρολόι" τέθηκε στο μηδέν. Αν και λιγότερο ακριβής από την χρονολόγηση με άνθρακα-14, η θερμοφωταύγεια μπορεί να βοηθήσει στην χρονολόγηση υλικών που θερμαίνονται όπως τα κεραμικά, η τσακμακόπετρα και μερικά βιομηχανικά προϊόντα. Η μέθοδος υπερβαίνει σημαντικά το όριο των 50.000 ετών της χρονολόγησης με άνθρακα 14.

Στη μέθοδο συντονισμού του spin των ηλεκτρονίων η παρουσία παγιδευμένης ενέργειας σε ένα δείγμα μετριέται από την απόκριση της στην υψηλής συχνότητας ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία, με την παρουσία ενός μαγνητικού πεδίου. Αυτή η μέθοδος είναι χρήσιμη για τα υλικά, όπως το σμάλτο δοντιών, το οποίο αποσυντίθεται εάν θερμανθεί. Ο συντονισμός του spin των ηλεκτρονίων έχει αποδειχθεί πολύτιμος για τη χρονολόγηση των υπολειμάτων ανθρωποειδούς στη Μέση Ανατολή, στην κρίσιμη περίοδο όταν ο Νεάντερταλ και ο σύγχρονος άνθρωπος συνυπήρχαν περίπου 100.000 χρόνια πριν.

Όπως θα γίνει προφανές αργότερα, το γήινο μαγνητικό πεδίο διαδραματίζει ποικίλους ρόλους στην αρχαιολογική επιστήμη, ένας από τους οποίους είναι η "αρχαιομαγνητική χρονολόγηση".   Αυτό εξαρτάται από τη σφραγίδα του γήινου περιβαλλοντικού μαγνητικού πεδίου στα μαγνητικά υλικά όπως ψύχθηκαν κάτω από τη θερμοκρασία Curie τους. Για να χρονολογήσουμε ένα δείγμα με τη μέθοδο αυτή, ο προσανατολισμός του μέσα στο πεδίο στο οποίο βρέθηκε, πριν μετακινηθεί από αυτό. Το μαγνητικό πεδίο του δείγματος μετριέται έπειτα με ένα εργαστηριακό μαγνητόμετρο και συγκρίνεται με τις γνωστές μεταβολές του πεδίου στο πέρασμα του χρόνου.

Κατά διαστήματα η πολικότητα του Γήινου μαγνητικού πεδίου έχει αντιστραφεί. Η υπογραφή τέτοιων αντιστροφών έχει καταγραφεί σε ορισμένους τύπους ιζηματογενών και ηφαιστειακών βράχων. Ο Παλαιομαγνητισμός έχει χρησιμοποιηθεί μέχρι σήμερα σε απολιθωμένα υπολείμματα των πιό πρόωρων ειδών σχετικών με τα ανθρώπινα όντα. Το 1998, παραδείγματος χάριν, χρησιμοποιήθηκε για να χρονολογήσει έναν πλήρη σκελετό ανθρωποειδούς που βρέθηκε στο Sterkfontein στη Νότια Αφρική. Οι μετρήσεις αποκάλυψαν ότι τα υπολείμματα ήταν μεταξύ 3,22 και 3,58 εκατομμυρίων ετών, εξ αιτίας της θέσης τους μεταξύ των στρωμάτων του βράχου, για τα οποία γνωρίζαμε τις αντιστροφές πολικότητας που είχαν υποστεί.

Συντονισμός ηλεκτρονικού spin (ESR)

Η μέθοδος συντονισμού ηλεκτρονικού spin, μετράει τον αριθμό των φορτίων που βρίσκονται στις παγίδες των χασμάτων των ενεργειακών ζωνών στο κρυσταλλικό πλέγμα. Μετρώντας την μεταβολή στην απορρόφηση μικροκυμάτων μέσα σ' ένα συνεχώς μεταβαλόμενο ισχυρό μαγνητικό πεδίο, η μέθοδος αυτή ανιχνεύει τον αριθμό των ασύζευκτων ηλεκτρονικών spin που είναι παγιδευμένα στις διάφορες ατέλειες του πλέγματος.
Σε αντίθεση με τη θερμοφωταύγεια όμως η μέτρηση ESR δεν εκδιώκει τα φορτία από τις παγίδες αλλά απλώς ανιχνεύει την παρουσία τους. Έτσι μπορούν να γίνουν επανειλημμένες αναλύσεις του ίδιου δείγματος.
Επειδή το σήμα ESR δεν επηρεάζεται από την έκθεση του δείγματος στο συνηθισμένο φως, η μέθοδος αυτή είναι κατάλληλη για τον εντοπισμό φορτίων σε πολύ βαθιές παγίδες, τα οποία δεν είναι ευαίσθητα στο ορατό φως.
Το γεγονός εκείνο που μηδενίζει το ρολόι στο ESR είναι συχνά η πρωταρχική δημιουργία του υλικού. Όπως πχ η ανάπτυξη του σμάλτου των δοντιών στα θηλαστικά, η απόθεση του ανθρακικού ασβεστίου στα σπήλαια κλπ.