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輻射科技在考古學上的應用 - X射線螢光光譜分析

輻射科技在考古學上的應用 - X射線螢光光譜分析

楊棹喬、陳兆偉
2022年7月

提及輻射,大家可能會聯想到醫學掃瞄用的X射線 (X-ray),原來X射線除了應用在醫學上,更與考古學的發展有著密切關係。在考古學上,我們可以利用輻射科技來斷定文物及藝術品的年代,更可以為它們進行修復以及維護。
X射線是一種電離輻射的電磁波射線。其中一種應用在考古學上的輻射技術就是X射線螢光光譜分析(X-ray Fluorescence (XRF) Spectroscopic Analysis)。當文物樣品受到入射X射線(一次X射線)照射後,被測物中的每一種元素會被激發並放射出螢光X射線(二次X射線)。由於每種元素都有自己特定能量或波長特性的二次X射線,所以我們可以透過測量這些二次X射線的能量及數量,從而分析出樣品中的化學元素種類及含量(圖一)。XRF技術能被普及使用不但因為它無損文物樣品本身,更是它可以在短時間內分析大量的考古樣品及掃瞄樣品中某些特定的採樣點(圖二)。
圖一    鉀鐵礬 (Jarosite) (左)和黃赭石 (Yellow Ochre) (右)同樣是黃色顏料,但從XRF光譜分析結果能顯示它們有不同的元素成份 ,左圖顯示鉀鐵礬爛中的鉀(K)和硫(S)元素。(圖片來源:Institute of Nuclear and Particle Physics, NCRS “Demokritos”)
圖二    利用可攜式XRF螢光光譜儀分析古代大理石雕塑,既不損壞藝術品,又能在指定採樣點測量分析。 (圖片來源:IAEA)
以分析壁畫、畫作為例,由於不同藝術時期、地方以及繪畫流派都有不同的色素使用配方(表一),透過研究原作的材料使用,便能更詳細地了解藝術家的技術和材料使用的演變,亦有助確定藝術品的年代和鑑定贗品。例如,當壁畫中的綠色部分經XRF分析後顯示當中銅(Cu)元素反應較強,它便可能含有孔雀石(Malachite)顏料,並於4000 BC 至 1187 BC 期間出現。而在修復畫作時,亦可以透過XRF技術分析出藝術品損壞腐蝕的情況,找出合適的方法去修復文物及減慢文物的損壞,並記錄它的保存狀態。
由此可見,善用輻射技術可以幫助我們更好地了解藝術歷史的發展。
色素 顏色 化學元素 早期 晚期
方解石 (Calcite) Ca 2494 BC 羅馬帝國時期
針鐵石 (Goethite) Fe 4000 BC 羅馬帝國時期
埃及藍石 (Egyptian Blue) Ca, Cu, Si 2639 BC 395 AD
綠土石 (Green Earth) Mg, Al, Si, K, Fe 900 BC 羅馬帝國時期
孔雀石 (Malachite) Cu 4000 BC 1187 BC
表一    不同時期的作品會使用不同顏料,而XRF技術能有效分辨顏料內的化學元素。(列表來源:IAEA)