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Die Lumineszenzdatierung wird in der Archäologie vor allem bei Keramiken oder bei Fundstücken eingesetzt, deren Alter oberhalb der Radiokarbongrenze von etwa 50 000 Jahren liegt. Diese Verfahren beruhen auf einer Leuchterscheinung, der so genannten Lumineszenz, die in vielen anorganischen Kristallen wie Quarz und Feldspat auftritt. Solche Kristalle sind grundsätzlich nicht streng periodisch aufgebaut und besitzen eine bestimmte Anzahl von Gitterbaufehlern - die Defekte.
Durch die in der Erdatmosphäre vorkommende natürliche radioaktive Strahlung werden die Kristalle permanent bestrahlt, was zur Ionisation der Atome im Kristall führt. Die dadurch entstandenen freien Ladungsträger, beispielsweise die Elektronen, diffundieren im Kristall. Während ein Großteil der Elektronen rekombiniert, werden andere in den Kristalldefekten gefangen und verbleiben dort solange, bis sie durch eine Stimulation von außen - im Fall der Thermolumineszenz durch Erwärmung der Probe - in ihren ursprünglichen Zustand zurückkehren und dabei eine charakteristische Lumineszenz emittieren.
Mit der Thermolumineszenz-Methode lässt sich so etwa der Herstellungszeitpunkt einer Keramik ermitteln, denn die im Brennofen herrschenden hohen Temperaturen sorgen dafür, dass die bis zu diesem Zeitpunkt in den Defekten gefangenen Elektronen unter Lumineszenzaussendung in ihren ursprünglichen Zustand zurückkehren, und dadurch - bildlich gesprochen - die Lumineszenz-Uhr der gebrannten Tonmasse auf Null gesetzt wird.
Wird eine solche Keramik nach einer bestimmten Zeit wieder erhitzt, so hängt die Intensität und die spektrale Verteilung des dann emittierten Lichts von der seitdem absorbierten Strahlungsdosis ab und ist somit ein Maß für das Alter der Probe. Um ein antikes Objekt korrekt datieren zu können, muss die Stärke und Art der radioaktiven Strahlung am Fundort mit Hilfe von Dosimetern über einen längeren Zeitraum bestimmt werden, da Schwankungen der Strahlung zu einer fehlerbehafteten Datierung führen. Der Bestimmungsfehler kann allerdings trotzdem bei bis zu 25 Prozent liegen.
Die Lumineszenzerscheinung kann aber nicht nur durch Erhitzen, sondern auch durch Einstrahlung von Licht unterschiedlicher Wellenlänge ausgelöst werden. So wurde am Max-Planck-Institut für Kernphysik in Heidelberg eine Lumineszenzmethode entwickelt, welche die durch eine Bestrahlung mit infrarotem Licht hervorgerufene Lumineszenz misst und darüber Aufschluss gibt, wie lange eine Probe vom Sonnenlicht abgeschirmt war.
Das Prinzip der Thermolumineszenzdatierung (TL - Datierung) basiert auf der Speicherung von Informationen über die absorbierte Energie ionisierender Strahlung in anorganischen Kristallen (z.B. Quarz oder Feldspat), welche in allen Keramiken enthalten sind.
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