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熱釋光是一種自然現象，是某些固體物質因長時間受到射線的輻照，在輻射電離作用下，固體物質產生電子-空穴對，一些電子被晶體的缺陷所俘獲，在室溫下，這種俘獲狀態是穩定的。

如果將晶體加熱，被俘獲的電子則從陷阱中逃逸出來與空穴復合，同時以光子的形式釋放出它們所貯存的能量，這就是熱釋光，即TL(Thermoluminescence)

這種光很微弱，只有用高靈敏度的測光量儀器才能測出來，并且在冷卻以后再加熱時，這種光是不能重新再現的。

自然界的所有沉積物，都含有鈾、釷、鉀等長壽命放射性元素，它們衰變放出α、β、γ射線。射線使固體物質電離，或使電子被激發到高能態。多數電子會很快恢復到基態，但有一部分電子在晶格內的運動中，會陷入到較高能態的原有晶體的缺陷里，成為被俘獲的電子。只有通過加熱，才能使陷阱中的電子增加動能而被激發出來，與空穴復合，并以光量子的形式放出能量。

加熱放出的總光子數，與陷阱中釋放出的電子數成正比。而總電子數與發光體（具有熱釋光特性的物質）所吸收的輻射能量成正比。因此，年代越久，物質所接受的放射性越強，貯存的能量也越高，熱釋光量也越大。即熱釋光量與所接受的放射性總劑量成正比。

鈾、釷、鉀的半衰期長達109年（10億年），在較短的時距內（第四紀），可以認為其放射性強度是個常數。

因此，熱釋光的光強大小與年代成正比。也就是說，在同樣的輻射劑量下，樣品年齡越老，熱發光就越強。

已知樣品的自然熱釋光量（I）與樣品所受的總輻射劑量（D）成正比，即：I=k ·D

其中，k是樣品對輻照的靈敏度，k=人工輻照引起的熱釋光量/人工輻照劑量，D=Rt，R是年輻照劑量，t是受輻照的時間。由上可以得出t=D/R=I/Rk (I為自然熱釋光量)

樣品積累熱釋光以后，遇到光—熱事件（如火山活動；粘土被燒制成瓷器；巖石受風化—侵蝕作用，受太陽光中紫外線照射，再沉積下來），就會使原來積存的熱釋光基本消除，即熱釋光“時鐘”調零。再沉積以后，受周圍放射性元素輻照，又重新積累熱釋光。這樣就可以根據熱釋光來測量陶器、火山活動等的年代，這就是熱釋光測年法。

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