La luminiscencia ópticamente estimulada (LOE), también conocida por sus siglas en inglés "OSL" (), es un método físico de medición de las dosis de radiación ionizante utilizado frecuentemente en la datación de minerales. Se utiliza en al menos dos aplicaciones: Datación por luminiscencia de materiales antiguos: principalmente sedimentos geológicos y, en ocasiones, cerámica cocida, ladrillos, etc., aunque en este último caso se utiliza con mayor frecuencia la datación por termoluminiscencia. Dosimetría de radiación, que consiste en la medición de la dosis de radiación acumulada en los tejidos del personal sanitario, nuclear, de investigación y de otros sectores, así como en los materiales de construcción en regiones afectadas por desastres nucleares.
La técnica de la Luminiscencia Ópticamente Estimulada está basada en el principio que tienen algunos minerales, como el cuarzo y el feldespato de que los electrones de sus cristales pueden quedar atrapados entre la banda de valencia y la banda de conducción tras la excitación por radiación ionizante emitida por radionucleidos naturales en el suelo, por ejemplo isótopos radiactivos de uranio, torio o potasio-40) o por rayos cósmicos.
Al exponer la muestra mineral a la luz, los electrones atrapados son promovidos a la banda de conducción y luego regresan a la banda de valencia, emitiendo un fotón. La intensidad de esta luz emitida por la muestra es directamente proporcional a la cantidad de cargas atrapadas y puede utilizarse entonces para estimar el tiempo que la muestra ha estado enterrada en el suelo.Optically stimulated luminescence dating of fluvial deposits: a review (Datación por luminiscencia estimulada ópticamente de depósitos fluviales: una revisión) Medio: Wiley Online Library Autor: Jakob Wallinga Fecha: 28 de junio de 2008 Idioma: Inglés
Principio básico right|thumb|300px|Transiciones electrónicas subyacentes al fenómeno de la luminiscencia estimulada ópticamente. En un cristal, los orbitales electrónicos se dividen en bandas de energía creciente. Generalmente, las bandas inferiores están llenas, mientras que las superiores están vacías. La banda ocupada por electrones de valencia se denomina banda de valencia. Esta es la banda ocupada con la mayor energía. La banda vacía de menor energía se denomina banda de conducción.
En un aislante eléctrico, la banda de valencia y la banda de conducción están muy separadas por lo que el movimiento de electrones entre ellas es mínimo. En un conductor, ambas bandas están cercanas por lo que es fácil que se puede mover un electrón desde la banda de valencia a la de conducción y moverse libremente por el cristal antes de regresar a la banda de conducción. Este fenómeno da lugar a la conductividad eléctrica de los metales.Kittel, "Introducción a la Física del Estado Sólido", 8.ª edición, Wiley, 2015, págs. 183-184.
En realidad, los cristales rara vez son perfectos. Las imperfecciones en los cristales, por ejemplo, la presencia de un átomo de titanio en lugar de uno de silicio en el cuarzo, añaden orbitales que se encuentran entre la banda de valencia y la banda de conducción.E. J. Rhodes, Datación de sedimentos por luminiscencia estimulada ópticamente durante los últimos 200.000 años, Annual Review of Earth and Planetary Sciences, 39(1), 2011:461–488 Las imperfecciones en la geometría de una parte del cristal producen el mismo resultado, ya que los orbitales de los átomos de esa parte no se alinean con los del resto.A. Wintle, G. Adamiec, «Señales de luminiscencia ópticamente estimuladas del cuarzo: Una revisión», «Medidas de radiación», 98 (Suplemento C), 2017, 10–33. Por lo tanto, las bandas electrónicas solo explican el comportamiento general del cristal.
El cristal recibe radiación de su entorno de forma natural. Esto ocurre con mayor frecuencia cuando se encuentra junto a un elemento radiactivo como el carbono-14. Esta radiación puede excitar electrones en la banda de valencia y promoverlos a la banda de conducción si tiene la energía correspondiente a esta transición (por ejemplo, 8,7 eV en un cristal de cuarzo).<ref name="qui">F. Quinn, N. Poolton, A. Malins, E. Pantos, C. Andersen, P. Denby, V. Dhanak, G. Miller, «La estación terminal móvil de luminiscencia, MoLES: una nueva instalación pública en el sincrotrón de Daresbury», «J. Radiación Sincrotrón 10, 2003, .</ref> Este movimiento crea un "hueco", una falta de electrones en la banda de valencia.
En un cristal perfecto, el electrón circula en la banda de conducción durante un tiempo determinado antes de volver a caer en un hueco de la banda de valencia. Sin embargo, en presencia de imperfecciones, el electrón puede alojarse en un orbital de la imperfección (también llamado "trampa de electrones"). El electrón alcanza un estado metaestable y permanecerá allí hasta que absorba suficiente energía para regresar a la banda de conducción y relajarse a la banda de valencia, emitiendo luz ultravioleta. La luz solar es suficiente para excitar al electrón y sacarlo de este estado metaestable, reduciendo la población de electrones en los orbitales de impurezas a cero en cuestión de segundos. Una temperatura entre 200 y 400 °C también puede "reiniciar" los electrones del cristal En el laboratorio, se puede irradiar una muestra con luz visible producida por un LED para vaciar los estados metaestables y medir la cantidad de luz ultravioleta producida. Esto permite cuantificar la cantidad de radiación ambiental almacenada en el cristal (véase la sección Aplicaciones).
Los cristales que se hallan bajo la superficie terrestre, es decir, la gran mayoría, están protegidos de la luz, pero aun así reciben radiación, concretamente la radiación ambiental de su entorno. Por lo tanto, los electrones se acumulan en trampas de electrones en función del tiempo y la intensidad de la radiación ambiental. Conociendo la radiación media que recibe la muestra al año (utilizando un dosímetro, el dispositivo que mide la radiación de su entorno) y la cantidad de electrones en estado metaestable, podemos calcular el tiempo transcurrido desde el último reinicio. Esto nos permite saber cuánto tiempo lleva enterrada una muestra, por ejemplo, de arena. Es obvio que las muestras deben protegerse de la luz ambiente en todo momento ya que sino se falsearía la medición. Podemos hacer el símil de una batería, para la misma masa, un cristal que ha estado protegido de la luz durante más tiempo emitirá una cantidad de radiación ultravioleta mayor. La radiación ambiental lo carga durante un periodo de entre 10 a 10⁵ años, y la luz lo descarga en un periodo de tan solo 1 s a 100 s .
La acumulación de electrones en las trampas de electrones es significativa en períodos cortos solo si la radiación es intensa. Midiendo la radiación absorbida durante un período conocido, se puede calcular su intensidad, siempre que sea lo suficientemente fuerte como para producir una señal por encima del límite de detección. Para amplificar la señal, los detectores pueden utilizar tubos fotomultiplicadores.
Método de trabajo El método utiliza electrones atrapados entre las bandas de valencia y conducción en la estructura cristalina de ciertos minerales (más comúnmente cuarzo y feldespato). Los sitios de atrapamiento son imperfecciones de la red: impurezas o defecto cristalográfico. La radiación ionizante produce pares electrón-hueco: los electrones están en la banda de conducción y los huecos en la banda de valencia. Los electrones que han sido excitados a la banda de conducción pueden quedar atrapados en las trampas de electrones o huecos. Bajo la estimulación de la luz, los electrones pueden liberarse de la trampa y entrar en la banda de conducción. Desde la banda de conducción, pueden recombinarse con huecos atrapados en trampas de huecos. Si el centro con el hueco es un centro de luminiscencia (centro de recombinación radiactiva), se producirá emisión de luz. Los fotones se detectan mediante un tubo fotomultiplicador. La señal del tubo se utiliza para calcular la dosis absorbida por el material.
El dosímetro (OSL) ofrece un nuevo grado de sensibilidad, ofreciendo una lectura precisa de tan solo 1 mrem equivalente de Roentgen para fotones de rayos X y rayos gamma con energías que oscilan entre 5 kkeV y más de 40 MkeV. La dosis máxima equivalente del dosímetro OSL para fotones de rayos X y rayos gamma es de 1000 rem. Para partículas beta con energías de 150 keV a más de 10 MkeV, la dosis oscila entre 10 mrem y 1000 rem. La radiación de neutrones con energías de 40 kkeV a más de 35 MkeV tiene un rango de dosis de 20 mrem a 25 rem. En el diagnóstico por imagen, la mayor sensibilidad del dosímetro OSL lo hace ideal para la monitorización de empleados que trabajan en entornos de baja radiación y para trabajadoras embarazadas.
Para realizar la datación OSL, se deben extraer granos minerales de la muestra. Estos suelen ser los llamados granos gruesos de 100-200 μm o granos finos de 4-11 μm. Ocasionalmente se utilizan otros tamaños de grano.
La diferencia entre la datación por radiocarbono y la OSL radica en que la primera se utiliza para datar materiales orgánicos, mientras que la segunda se utiliza para datar minerales. Los eventos que pueden datarse mediante OSL son, por ejemplo, la última exposición del mineral a la luz solar; El Hombre de Mungo, el hallazgo humano más antiguo de Australia, se data de esta manera.El Hombre de Mungo, más antiguo de lo que se creía Medio: ogweb.ucla.edu autor: Janine MacDonald Canberra Fecha: 21 de mayo de 1999
También se utiliza para datar la deposición de sedimentos geológicos tras su transporte aéreo (sedimentos eólicos) o fluvial (sedimentos fluviales). En arqueología, la datación OSL se aplica a la cerámica: el evento datado corresponde al momento de su último calentamiento a una temperatura elevada (superior a 400 °C).
La reciente datación OSL de herramientas de piedra en Arabia retrasó la hipótesis de la migración humana "fuera de África" 50.000 años y añadió una posible ruta migratoria desde el continente africano a la península arábiga en lugar de a través de Europa.[https://www.ft.com/content/56a08c08-2a36-11e0-b906-00144feab49a Hombre fuera de África Medio: Financial Times (requiere registro) Autor: redacción Fecha: 27 de noviembre de 2010 Archivo web: https://archive.today/20220326152542/https://www.ft.com/content/56a08c08-2a36-11e0-b906-00144feab49a | archive-date=26 de marzo de 2022][http://www.livescience.com/44988-humans-dispersed-earlier-than-thought.html Los humanos podrían haber abandonado África antes de lo que se creía Medio: Autor: Randolph E Schmid Fecha: 27 de enero de 2011 Archivo web: https://web.archive.org/web/20160103074951/http://www.livescience.com/44988-humans-dispersed-earlier-than-thought.html | archive-date=3 de enero de 2016] El método OSL más utilizado se denomina regeneración de alícuota única.
Equipo y configuración miniatura|300px|Diagrama de los componentes esenciales del instrumento de luminiscencia ópticamente estimulada El equipo necesario para realizar un experimento de luminiscencia ópticamente estimulada (OSL) consta de cuatro componentes: un sistema de calentamiento, un sistema de detección de luminiscencia, una fuente de luz y una cámara de irradiación.Kristina Jørkov Thomsen, Datación por luminiscencia, instrumentación, Enciclopedia de métodos científicos de datación, 2015, .