У многих веществ (кристаллофосфоров, минералов, кварца и др.), предварительно возбужденных ультрафиолетовой, рентгеновской или радиоактивной радиацией, при нагревании возникает свечение, получившее название термолюминесценции. Оно наблюдается при температурах, значительно меньших тех, при которых появляется видимое температурное излучение.

Термолюминесценция имеет следующее происхождение. Под действием возбуждающей радиации электроны отрываются от ионов облучаемого вещества; часть их непосредственно рекомбинирует с ионизованными центрами, что приводит к возникновению кратковременного свечения кристаллофосфоров; другая часть электронов задерживается вблизи мест нарушения периодичности кристаллической решетки — на уровнях локализации. Освобождение электронов с мест локализации происходит за счет тепловой энергии. Их последующая рекомбинация с ионизованными центрами вызывает длительное свечение кристаллофосфоров.

Уровни локализации могут иметь различную энергетическую глубину, т. е. могут удерживать электроны с различной силой. Мелкие уровни освобождаются уже при температуре жидкого азота, глубокие — при +300, +400°С. При постепенном нагревании предварительно возбужденного фосфора последовательно освобождаются уровни разной глубины, и интенсивность термолюминесценции то увеличивается, то уменьшается. Кривые, характеризующие зависимость яркости свечения фосфора от температуры, получили название кривых термического высвечивания. Они являются важной характеристикой кристаллофосфоров и могут быть использованы для аналитических целей.