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辐射科技在考古学上的应用 - X射线萤光光谱分析

辐射科技在考古学上的应用 - X射线萤光光谱分析

杨棹乔、陈兆伟
2022年7月

提及辐射,大家可能会联想到医学扫瞄用的X射线 (X-ray),原来X射线除了应用在医学上,更与考古学的发展有著密切关系。在考古学上,我们可以利用辐射科技来断定文物及艺术品的年代,更可以为它们进行修复以及维护。
X射线是一种电离辐射的电磁波射线。其中一种应用在考古学上的辐射技术就是X射线萤光光谱分析(X-ray Fluorescence (XRF) Spectroscopic Analysis)。当文物样品受到入射X射线(一次X射线)照射后,被测物中的每一种元素会被激发并放射出萤光X射线(二次X射线)。由于每种元素都有自己特定能量或波长特性的二次X射线,所以我们可以透过测量这些二次X射线的能量及数量,从而分析出样品中的化学元素种类及含量(图一)。XRF技术能被普及使用不但因为它无损文物样品本身,更是它可以在短时间内分析大量的考古样品及扫瞄样品中某些特定的采样点(图二)。
图一    钾铁矾 (Jarosite) (左)和黄赭石 (Yellow Ochre) (右)同样是黄色颜料,但从XRF光谱分析结果能显示它们有不同的元素成份 ,左图显示钾铁矾烂中的钾(K)和硫(S)元素。(图片来源:Institute of Nuclear and Particle Physics, NCRS “Demokritos”)
图二    利用可携式XRF萤光光谱仪分析古代大理石雕塑,既不损坏艺术品,又能在指定采样点测量分析。 (图片来源:IAEA)
以分析壁画、画作为例,由于不同艺术时期、地方以及绘画流派都有不同的色素使用配方(表一),透过研究原作的材料使用,便能更详细地了解艺术家的技术和材料使用的演变,亦有助确定艺术品的年代和鉴定赝品。例如,当壁画中的绿色部分经XRF分析后显示当中铜(Cu)元素反应较强,它便可能含有孔雀石(Malachite)颜料,并于4000 BC 至 1187 BC 期间出现。而在修复画作时,亦可以透过XRF技术分析出艺术品损坏腐蚀的情况,找出合适的方法去修复文物及减慢文物的损坏,并记录它的保存状态。
由此可见,善用辐射技术可以帮助我们更好地了解艺术历史的发展。
色素 颜色 化学元素 早期 晚期
方解石 (Calcite) Ca 2494 BC 罗马帝国时期
针铁石 (Goethite) Fe 4000 BC 罗马帝国时期
埃及蓝石 (Egyptian Blue) Ca, Cu, Si 2639 BC 395 AD
绿土石 (Green Earth) 绿 Mg, Al, Si, K, Fe 900 BC 罗马帝国时期
孔雀石 (Malachite) 绿 Cu 4000 BC 1187 BC
表一    不同时期的作品会使用不同颜料,而XRF技术能有效分辨颜料内的化学元素。(列表来源:IAEA)