martedì 12 aprile 2016

La Termoluminescenza

Il Prasio, una varietà di quarzo, è termoluminescente
 Vi siete mai chiesti come fanno gli archeologi a capire a che epoca risale un reperto? Le tecniche sono innumerevoli, e molte di esse sfruttano fenomeni fisici davvero interessanti. Uno di questi è la Termoluminescenza, ovvero l'emissione di luce da parte di alcuni materiali portati ad alta temperatura (dopo l'articolo sulla fisica delle basse temperature della settimana scorsa ci voleva un post sui 700-800 gradi Kelvin per bilanciare!). La cosa buffa è che abbiamo già incontrato un fenomeno molto simile qualche mese fa, in un campo completamente diverso, continuate a leggere per scoprire di che si tratta;-)



La Termoluminescenza

 Vediamo innanzitutto in cosa consiste la Termoluminescenza.

Un fotomoltiplicatore
 Immaginiamo di disporre di alcuni cristalli particolari, detti termoluminescenti, e di un di dispositivo chiamato Fotomoltiplicatore. Quest'ultimo è un gadget davvero importante in fisica sperimentale: la sua funzione è semplicemente quella di trasformare un impulso luminoso in corrente elettrica e di amplificarla. I Fotomoltiplicatori sono però estremamente sensibili, al punto che consentono persino di rivelare un fotone per volta *(come abbiamo già visto in passato, un fotone è sostanzialmente un minuscolo "pacchetto" di luce)

 Senza porci troppe domande decidiamo di scaldare uno di questi cristalli per vedere che succede. Lo portiamo a circa 700-800 gradi Kelvin, ma non osserviamo nulla di stupefacente **(in alcuni casi la Termoluminescenza è visibile anche ad occhio nudo, ma noi non ce ne occuperemo) . A questo punto ne prendiamo un secondo, lo colleghiamo a un fotomoltiplicatore e lo portiamo alla stessa temperatura del precedente. Notiamo immediatamente che l'apparecchio rivela che il cristallo ha emesso una gran quantità di fotoni, anche se non abbastanza per essere visibili a occhio nudo.

 Tuttavia, l'emissione luminosa dura solo un istante. Proviamo a ripetere l'esperimento lasciando raffreddare il cristallo e quindi riscaldandolo, ma niente: il fotomoltiplicatore non rivela più alcuna luminosità intrinseca della pietra. Gli altri cristalli si comportano in modo analogo. Sembra insomma che i minerali termoluminescenti siano "usa e getta", e che una volta scaricati non possano più emettere luce. Come stiamo per vedere non è così, ma continuiamo con la nostra storia...

 Dopo aver scaricato tutti i cristalli li buttiamo nella spazzatura e ce ne dimentichiamo. Passano gli anni, i secoli, i millenni, e uno di questi cristalli viene recuperato da un altro scienziato, che effettua nuovamente il nostro esperimento. Noi che abbiamo già scaricato i cristalli in passato e osserviamo la scena dall'oltretomba ci aspettiamo che lo scienziato del futuro non riveli alcuna Termoluminescenza. Sorprendentemente invece il fenomeno si verifica ancora! Scaldando gli stessi cristalli viene rivelata una debole luminosità, il ché ci fa pensare che i cristalli non siano semplicemente "usa e getta" se si è disposti ad aspettare qualche millennio tra un utilizzo e l'altro.

 Se la scena si ripetesse con un terzo scienziato, appartenente ad un futuro ancora più lontano, si osserverebbe che i cristalli che abbiamo scaricato sono ancora più termoluminescenti di quelli analizzati dal secondo. In breve, quanto più tempo passa dall'ultimo bagliore tanto più intensa sarà la Termoluminescenza! Ma come si può spiegare questo fenomeno?
Come un materiale diventa termoluminescente

 Per illustrare come si generi la Termoluminescenza possiamo raccontare un'altra storia. Torniamo indietro nel tempo di duemila anni per un istante, e immaginiamo di assistere alla sepoltura di un uomo etrusco. Secondo la tradizione, nella sua tomba vegono deposti diversi oggetti appartenenti alla vita quotidiana del defunto, in modo che questi possa continuare ad utilizzarli anche nell'aldilà. Quindi il sepolcro viene sigillato con un coperchio, sepolto e lasciato indisturbato per diversi secoli. 

 Supponiamo anche che tra i manufatti lasciati al defunto si trovi anche un vasetto di terracotta. Questo materiale è infatti composto anche da minerali termoluminescenti, e consente agli archeologi di svelare in buona approssimazione il periodo a cui risale. Concentriamoci quindi sulla sua struttura interna - o meglio, alle caratteristiche molecolari dei cristalli termoluminescenti di cui è parzialmente composto.

 Questi ultimi hanno una struttura reticolare, ovvero i suoi atomi (o le sue molecole) si dispongono secondo una distribuzione geometricamente regolare ripetuta un'infinità di volte. Con la figura qui sotto ho cercato di dare un'idea con un esempio di reticolo cristallino.


 All'interno di questo reticolo si trovano ovviamente degli elettroni, particelle elettricamente cariche che abbiamo già incontrato diverse volte. Si tratta di corpuscoli di dimensioni e massa completamente trascurabili rispetto a quelle degli atomi, e che normalmente orbitano attorno ai nuclei atomici. Gli elettroni hanno però una particolarità: ogni volta che passano da uno stato di energia più alta a uno di energia più bassa emettono un fotone, proprio come quelli che vengono rivelati dai fotomoltiplicatori. Questo in effetti può significare davvero poco per chi non è del campo, quindi il concetto potrebbe risultare più chiaro con un'analogia.

 Immaginiamo che gli elettroni siano dei sassolini sferici ai piedi di un leggero pendio. Se noi prendessimo uno di questi elettroni e lo ponessimo fermo poco al di sopra degli altri, noteremmo che questo emette un fotone nel momento in cui rotola fino a raggiungere i suoi compagni rimasti a valle.

 A dire il vero, l'esempio del pendio può esserci utile anche per trattare direttamente la Termoluminescenza, dato che la situazione energetica non è poi così diversa. Anche all'interno del reticolo gli elettroni tendono a stare nella configurazione di energia minima, un po' come i sassolini di prima erano ben propensi a rimanere a valle. D'altronde, chi ha mai visto un masso risalire una pendenza?

 C'è da dire però che in natura sono molti i fenomeni che possono fornire energia agli elettroni, un po' come se questi ciottoli venissero continuamente spinti verso la cima del pendio, per poi ridiscendere quando la loro energia non è più sufficiente a sfidare la forza di gravità. In tutto ciò non c'è nulla di strano: se lanciamo un sasso verso la cima di una montagna ci aspettiamo di vederlo rotolare verso di noi prima o poi.

 Tuttavia, proprio come accade nel mondo microscopico, nessun pendio è perfetto. Anzi, ogni declivio è disseminato di fosse o piccole alture, per cui non c'è da sorprendersi se uno dei sassi che abbiamo lanciato anziché scendere fino a valle come tutti gli altri rimane incastrato in una di queste "impurità".

 Allo stesso modo, è praticamente impossibile trovare in natura un reticolo cristallino totalmente privo di imperfezioni. Per quanto puro potrà essere il minerale, ci saranno comunque delle piccole zone al suo interno in cui gli elettroni possono rimanere incastrati, pur non avendo convertito tutta la loro energia in eccesso in un fotone.

 Torniamo allora al nostro vasetto etrusco, composto in parte da minerali termoluminescenti. È chiaro che nel corso dei millenni alcuni fattori, e in particolare la radioattività ambientale, forniscono in continuazione energia agli elettroni di questi cristalli. Possiamo quindi accettare senza problemi che di tanto in tanto un elettrone rimanga incastrato in una di queste impurità. A dire il vero questo non avviene quasi mai, ma dopo millenni di esposizione alla radioattività naturale il numero di elettroni imprigionati può essere davvero considerevole.

 Resta da spiegare perché il raggiungimento di una certa temperatura porti i minerali termoluminescenti che compongono il vaso ad "accendersi". Questo non è affatto complicato: quando scaldiamo il nostro reperto non facciamo altro che fornire energia alle sue molecole, e quindi agli elettroni. Ecco che allora gli sfortunati che per millenni sono rimasti imbrigliati nelle impurità vengono finalmente scalzati e lasciati liberi di emettere il loro fotone.

 Per tornare all'esempio dei sassolini infossati nelle buche del pendio, possiamo paragonare l'aumento di temperatura a un violento terremoto. Il sisma è certamente in grado di scalzare le piccole pietre dalle cavità in cui si sono fermate.

 Questa descrizione spiega anche perché riscaldando un materiale che ha da poco manifestato la sua Termoluminescenza non si osserva più nulla di particolare. Semplicemente tutti gli elettroni sono stati scalzati dalle impurità! E ci vuole diverso tempo affinché altri prendano il loro posto.

 Ecco che quindi, non appena il vasetto etrusco viene rinvenuto da un archeologo, questi può prelevarne un piccolo campione e portarlo ad alta temperatura per misurare quanti elettroni sono rimasti incastrati nelle sue impurità. Chiaramente, più tempo è trascorso dalla sua creazione e maggiore sarà la sua Termoluminescenza. In breve, il fenomeno permette di risalire abbastanza precisamente all'epoca in cui è stato forgiato. Tale metodo non è però privo di limiti: basti pensare che un incendio sprigionatosi nelle vicinanze del reperto nel corso della storia potrebbe aver resettato il numero di elettroni incastrati nelle sue impurità.


Conclusioni

 In questo articolo ci siamo occupati di un fenomeno molto sfruttato in archeologia per la datazione dei reperti: la Termoluminescenza. Dopo aver capito in cosa consiste, ci siamo occupati di spiegarlo partendo dalla struttura molecolare dei materiali termoluminescenti. All'inizio del post accennavo al fatto che abbiamo già incontrato un meccanismo molto simile: come forse avranno sospettato i lettori più affezionati mi riferivo al MASER, un precursore del ben più noto laser, che necessita di essere ricaricato al termine di ogni utilizzo.
Grazie per aver letto fin qui,

Giulio


Immagini tratte da:
fotoalbum.virgilio.it
http://www.brera.mi.astro.it/~carpino/ricognizione/index_fotometria.html
https://it.wikipedia.org/wiki/Termoluminescenza 
www.tumblr.com
qauednrovruitlae.blogspot.com
www.terradininive.com
www.culturaitalia.it

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