Datation par résonance de spin électronique - Electron spin resonance dating
La datation par résonance de spin électronique, ou datation ESR, est une technique utilisée pour dater des matériaux nouvellement formés que la datation au radiocarbone ne peut pas, comme les carbonates , l'émail dentaire ou les matériaux qui ont été préalablement chauffés comme la roche ignée . La datation par résonance de spin électronique a été présentée pour la première fois à la communauté scientifique en 1975, lorsque le physicien nucléaire japonais Motoji Ikeya a daté un spéléothème dans la grotte d'Akiyoshi, au Japon . La datation ESR mesure la quantité d'électrons non appariés dans les structures cristallines qui ont été précédemment exposées au rayonnement naturel. L'âge de la substance peut être déterminé en mesurant la dose de rayonnement depuis le moment de sa formation.
Applications
La datation par résonance de spin électronique est utilisée dans des domaines tels que la chimie des rayonnements, la biochimie, ainsi que la géologie, l'archéologie et l'anthropologie. La datation ESR est utilisée à la place de la datation au radiocarbone, car la datation ESR peut dater des matériaux nouvellement formés ou des roches préalablement chauffées. La datation des dents enterrées a servi de base à la datation des restes humains. Des études ont permis de dater le silex brûlé et le quartz retrouvés dans certaines céramiques anciennes. Les nouvelles applications de datation ESR incluent la datation des tremblements de terre précédents à partir d'une faille, d'éruptions volcaniques passées et de l'activité tectonique le long des côtes.
Processus de rencontre
La datation par résonance de spin électronique peut être décrite comme une datation par charge piégée. La radioactivité fait passer les électrons chargés négativement d'un état fondamental , la bande de valence, à un niveau d'énergie plus élevé dans la bande de conduction. Après un court laps de temps, les électrons se recombinent finalement avec les trous chargés positivement laissés dans la bande de valence. Les électrons piégés forment des centres paramagnétiques et donnent naissance à certains signaux détectables par spectrométrie ESR. La quantité d'électrons piégés correspond à l'amplitude du signal ESR. Ce signal ESR est directement proportionnel au nombre d'électrons piégés dans le minéral, au dosage de substances radioactives et à l'âge.
Calcul de l'âge ESR
L' âge de résonance de spin électronique d'une substance est déterminé à partir de l'équation suivante :
où D E est la dose équivalente, ou paléodose (en Gray ou Gy), c'est-à-dire la quantité de rayonnement qu'un échantillon a reçu pendant le temps écoulé entre la mise à zéro de l'horloge ESR (t = 0) et l'échantillonnage (t = T) . D(t) est le débit de dose (généralement en Gy/ka ou microGy/a), qui est la dose moyenne absorbée par l'échantillon en 1 an. Si D(t) est considéré comme constant dans le temps, alors, l'équation peut être exprimée comme suit :
Dans ce scénario, T est l'âge de l'échantillon, c'est-à-dire le temps pendant lequel l'échantillon a été exposé à la radioactivité naturelle depuis la dernière remise à zéro du signal ESR. Cela se produit en libérant la charge piégée, c'est-à-dire généralement par dissolution/recristallisation, chaleur, blanchiment optique ou contrainte mécanique.
Détermination de la dose accumulée
La dose accumulée est trouvée par la méthode de la dose additive et par une spectrométrie par résonance de spin électronique (ESR). Ceci lorsqu'un échantillon est placé dans un champ magnétique externe et irradié avec certaines doses de micro-ondes qui modifient le niveau d'énergie des centres magnétiques (modifie la rotation du spin) soit au même soit à l'opposé du champ magnétique environnant. Le changement des propriétés magnétiques ne se produit qu'à des niveaux d'énergie spécifiques et pour certaines fréquences micro-ondes, il existe des forces magnétiques spécifiques qui provoquent ces changements (résonance). Le positionnement d'une raie ESR dans un spectre correspond à la proportion (valeur g) de la fréquence micro-ondes à l'intensité du champ magnétique utilisée dans la spectrométrie. Au fur et à mesure de l'extrapolation vers zéro de l'intensité ESR, la dose accumulée peut alors être déterminée.
Détermination du débit de dose annuel
Le débit de dose est obtenu à partir de la sommation des concentrations de matières radioactives dans l'échantillon (débit de dose interne) et son environnement environnant (débit de dose externe). Les dosages de radioactivité interne et externe doivent être calculés séparément en raison des différences variables entre les deux.
Facteurs à inclure dans le calcul de la radioactivité :
- Concentration en uranium, thorium et potassium
- Énergies pour les rayons alpha, bêta et gamma de l' uranium-238 et du thorium-232
- Facteurs de correction liés à la teneur en eau, à la géométrie de l'échantillon, à son épaisseur et à sa densité
- Débits de dose de rayons cosmiques - en fonction de la position géographique et de l'épaisseur des sédiments de couverture (300 pGy/a au niveau de la mer)
Fiabilité
Les électrons piégés n'ont un laps de temps limité que lorsqu'ils se trouvent dans les stades de niveau d'énergie intermédiaire. Après une certaine plage de temps, ou des fluctuations de température, les électrons piégés retourneront à leurs états d'énergie et se recombinent avec des trous. La recombinaison des électrons avec leurs trous n'est négligeable que si la durée de vie moyenne est dix fois supérieure à l'âge de l'échantillon à dater.