In een uitgebreid droog bosachtig gebied in Brazilië liggen talloze termietenheuvels die enkele meters hoog zijn en een middellijn hebben van een meter of tien. (Op de foto - minder brede - termietenheuvels in Namibië.)
De nesten van de termieten liggen onder de grond; de heuvels bestaan uit het bouwafval dat is vrijgekomen bij het graven van de nesten en de tunnels. In de NRC van 23 november 2018 staat dat onderzoekers met behulp van een dateringsmethode die gebruikmaakt van het verschijnsel luminescentie hebben kunnen vaststellen hoe oud deze heuvels zijn. Hoe dat in zijn werk gaat, komt verderop aan de orde.
a) Zoek op wat luminescentie is.
Als atomen terugvallen van een hogere naar een lagere energietoestand, wordt er soms licht uitgestraald. Dit gebeurt wanneer energierijke elektronen vanuit een aangeslagen toestand naar een baan met een lagere energie rond de atoomkern springen. De energie die hierbij vrij komt, wordt uitgezonden als een foton. Afhankelijk van het energieverschil kan het zijn dat de uitgezonden straling binnen het golflengtebereik van het voor de mens zichtbare licht ligt. In dat geval spreekt men van luminescentie.
Fosforescentie en fluorescentie zijn bekende voorbeelden van luminescentie.
b) Wat is het verschil tussen deze twee?
Als na uitschakeling van de lichtbron de luminescentie onmiddelijk ophoudt, spreekt men van fluorescentie (bijvoorbeeld mineralen die oplichten in ultraviolette straling)
Bron: Wikpedia
Als de luminescentie nog een tijd voortduurt is er sprake van fosforescentie (glow-in-the-dark objecten).
Bron: Wikipedia
Zandkorrels bestaan voor een groot deel uit kwarts. Kwartskristallen hebben de eigenschap dat elektronen in het rooster onder invloed van ioniserende straling (bijvoorbeeld afkomstig van van nature in de bodem aanwezige radioactiviteit) in een hogere energietoestand kunnen komen, waarin ze ten gevolge van onregelmatigheden in het kristalrooster langdurig blijven. Zodra er echter licht van geschikte golflengten op het kristal valt, zullen de elektronen onder uitzending van fotonen terugvallen naar lagere energieniveaus. Bij kwarts gebeurt dat bij belichting met zichtbaar licht. Dat noemt men ´optisch gestimuleerde luminescentie´ (OSL).
c) Leg uit dat de intensiteit van de luminescentie groter is naarmate het kristal langer onafgebroken in het duister geweest is.
De ioniserende straling uit de aardkorst creëert in het kwarts aangeslagen toestanden. Deze aangeslagen toestanden blijven in stand zolang het kristal in het duister verblijft. De concentratie van aangeslagen toestanden wordt in de loop van de tijd dus steeds groter (mits het kristal in het duister blijft), totdat een punt van verzadigijng bereikt is.
d) Men zegt dat bij OSL´de klok op nul gezet´ wordt als het kristal aan daglicht wordt blootgesteld. Licht dat toe.
Zodra er daglicht bij het kwartskristal komt, vallen de aangeslagen toestanden terug (onder uitzending van fotonen). Als het dan donker blijft, loopt de concentratie aan aangeslagen toestanden vanaf nul geleidelijk weer op. Dan gaat de klok dus weer lopen.
e) Hoe kan in principe de ouderdom van het inwendige van een termietenheuvels vastgesteld worden?
Zandkorrels die vele duizenden jaren niet aan het daglicht blootgesteld zijn geweest, geven de maximale luminescentie (als ze in het laboratorium voor onderzoek belicht worden). Bij zandkorrels die door termieten onder de grond gebracht zijn is ´de klok op nul gezet´ op het moment dat ze voorgoed in het donker kwamen. De intensiteit van de luminescentie die optreedt bij belichting in het laboratorium is dus een maat voor de tijd die verstreken is sinds de zandkorrel ondergronds ging.
OSL is een goed alternatief wanneer koolstofdatering met 14C niet mogelijk is.
f) Waarom is de 14C-methode niet bruikbaar om de ouderdom van de termietenheuvels te bepalen?
Koolstofdatering is alleen te gebruiken wanneer het organisch materiaal betreft. De verhouding tussen de koolstofisotopen C12 (van nature aanwezig) en C14 (gecreëerd in de atmosfeer onder invloed van kosmische straling en door het organisme tijdens zijn leven opgenomen) is bepalend voor de ouderdom van het materiaal. Het bouwmateriaal van de termietenheuvels is niet organisch, er zit geen koolstof in.
Hoe OSL precies werkt is complex. Vereenvoudigd gaat het als volgt. Het onderzoek van de zandkorrel wordt in een doka (donkere kamer) gedaan. De korrel wordt belicht met blauwe of groene leds. De slechts enkele seconden aanhoudende luminescentie ligt dan in het gebied van ultraviolet (340 tot 370 nm). Deze intensiteit wordt gemeten.
Om de ouderdom te bepalen onderzoekt men eerst hoe groot de natuurlijke radioactieve straling van de bodem is. Dan bekijkt men in het donker hoeveel straling minimaal nodig is om een kwartskorrel dezelfde intensiteit van luminescentie te kunnen geven als een even grote korrel uit de ondergrond die nooit bovengronds geweest is . Dit geeft informatie hoeveel jaar verstrijkt voordat de korrel maximale luminescentie geeft en hoeveel dat dan is. Door deze waarde te vergelijken met de feitelijke luminescentie van de te onderzoeken korrel (die van de termiet), kan men schatten wanneer bij deze de klok op nul werd gezet. Dat is het tijdstip waarop deze onder de grond verdween.
g) Waarom is het nodig dat het golflengtengebied van de luminescentie niet overlapt met die van de belichting?
Om de luminescentie-straling van de korrel te kunnen onderscheiden van de gereflecteerde belichting.
h) Betreft het hier fosforescentie of fluorescentie?
Fosforescentie, omdat het verschijnsel nog enkele seconden aanhoudt na beeindiging van de belichting.
De berekende ouderdom wordt niet voor niets een schatting genoemd.
i) Noem enkele redenen.
Er zijn nogal wat onzekerheden. De eerste aanname is dat gedurende de verstreken tijd de natuurlijke radiaoctiviteit niet veranderd is. De natuurlijke radioactiviteit moet ook kwalitatief (soorten isotopen) gelijk zijn aan die welke in het onderzoek toegepast wordt. Verder moet men aannemen dat de grondlaag nooit verstoord is geweest, d.w.z. dat er nooit licht bij is gekomen.
