核化學在考古學中的應用

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1、核化學在考古學中的應用化學化工學院111130001安曉鳴引言在考古研究中，過去?？渴妨嫌涊d，史地知識和化學分析等手段進行研究，有時候還要憑一定的實踐經(jīng)驗進行判斷。隨著核技術的發(fā)展，各種核化學分析技術給考古和文物保護研究提供了重要的方法，原來一些懸而未決的問題可以迎刃而解。對于判斷一些文物和藝術品的真?zhèn)斡绕溆行?。核化學技術在考古研究中的主要應用是測定年代、分析元素成分和含量。常用的方法有:(1)同位素豐度測定法；(2)離子束分析法,包括質子、光子和y射線激發(fā)的X射線熒光分析法以及背散射分析法等等；(3熱釋光測定法；（4）中子活化分析法；(5)核磁共振法

2、。下面就這五種方法的原理和在考古工作的應用作扼要介紹。一同位素豐度測定法同位素豐度測定法主要分為碳14測定法和鉛測定法兩類。碳14是碳元素的同位素之一，適用于測定動植物殘骸及制品的年代；鉛測定法則適用于測定金屬制品的產(chǎn)地。絕大部分化學元素在穩(wěn)定狀態(tài)之外，還擁有對應的同位素，這些同位素是不穩(wěn)定的，會自發(fā)地發(fā)射出射線變成另外的元素，這些同位素就稱之為放射性同位素，這種同位素的自發(fā)變化過程稱為核衰變。在自然狀態(tài)下，動植物、礦物質和周圍環(huán)境發(fā)生同位素的吸收衰變動態(tài)平衡。而當它們死亡或被制成物品后，沒有了同位素交換，其中的同位素含量（稱豐度）按衰變規(guī)律減少。根據(jù)

3、反應動力學可知如下公式：λt=lnN0/Nt式中，t為樣品的年齡，N0和Nt分別是現(xiàn)代環(huán)境和樣品中的元素同位素豐度。而λ=0.693/T1/2其中T1/2稱為元素半衰期，是元素自身的性質。碳14作為碳的同位素之一，其半衰期為5730年。根據(jù)現(xiàn)在測得的剩下的放射性14C與現(xiàn)代樣品中14C相比，即可計算生物體死亡之后的年齡。測年范圍為距今5萬年內，測量誤差已降到±1%。如果要進一步提高測量精度，可用超靈敏加速器質譜計(AMS)。現(xiàn)代AMS的分析靈敏度極限達到10－18-10－21mol，其探測的豐度靈敏度在10－12-10－15范圍，相當于能在4萬億個原子

4、中捕獲到含量只有一個14C的原子。用國產(chǎn)超靈敏小型回旋加速器質譜計測量14C的精度已達0.7%，測年上限達到數(shù)十萬年。碳14測定法在我國的夏商周斷代工程中發(fā)揮了重要作用。而相比于碳14，鉛同位素的半衰期要長得多，所以鉛同位素的豐度相對穩(wěn)定。由于地球上各處金屬礦床的地質年齡形成過程中環(huán)境物質中的化學元素有區(qū)別，故它們所含鉛的同位素組成也就各有差異。因此，鉛的同位素豐度研究可以為青銅器原料產(chǎn)地研究提供豐富的信息。國外自60年代起，開展用鉛同位素比值法研究古代器物如青銅器(包括銅鏡)、錢幣(包括銅、銀、金幣)、玻璃、顏料、大理石等，以追溯它們與礦料產(chǎn)地的關系

5、。二離子束分析法利用加速器產(chǎn)生的高能離子(帶電的原子或分子)束(或同位素源激發(fā))去轟擊所需分析研究的樣品，會產(chǎn)生電磁輻射或帶電粒子，而樣品中存在的化學元素成分不同，所產(chǎn)生的電磁輻射的能量、帶電粒子的種類及能量不同。因此，通過探測這些電磁輻射或帶電粒子，就能對樣品所含元素作定性、定量分析。這種技術可對骨、陶瓷器、金屬器及藝術品進行元素分析。1粒子激發(fā)x射線分析當質子、光子、γ射線等粒子轟擊靶時,靶原子中的內層電子躍遷而出現(xiàn)空穴,此時外層電子躍入填充空穴，同時發(fā)射出靶原子的特征X射線,根據(jù)其能量和強度即可進行靶上元素的定性和定量分析。用質子激發(fā)x射線分析(

6、PIXE)可測定古代工藝品的成分,例如名貴的油畫、樂器、陶器、金屬制品等，根據(jù)其成分和含量，可判斷其出處，也可鑒定真?zhèn)?。比?不同地點的陶器由于所用的原料不同，其化學組成不同，分析陶器的成分及含盆，就可確定陶器的來源。用這個方法也可以測定青銅器、銀幣、銀錠中的微量元素。PIXE的靈敏度為10-6g/g，樣品量可低至10微克，可以測出絕對量為10-15g的痕量元素。由于外束PIXE是無損分析，這種方法在分析鑒定名貴文物方面尤其適宜。除此之外，光子激發(fā)x射線和γ射線為激發(fā)源的x射線也獲得了廣泛應用。2背散射分析低能粒子(a，d，p等)與靶原子碰撞時，入射粒

7、子只受靶原子的庫侖力作用而散射，或與軌道電子相互作用使靶原子電離或激發(fā)，而散射粒子的能量和靶原子的質量有一定的對應系，這樣就可以通過能譜作靶材料的元素分析。通常采用加速器的單能帶電離子束經(jīng)過狹縫準直后進入靶室，背散射離子由半導體探測器或經(jīng)分析器進入離子探測器轉換成電信號，再經(jīng)前置放大器和主放大器后進入多道分析器，最后在記錄儀上記錄其散射能譜。用背散射分析可以測定陶瓷器釉彩中的硼、鋰元素含量，進而判斷樣品的真?zhèn)魏椭谱鬟^程。此外，這種方法還可以測定樂器表面清漆的元素含量。三熱釋光測定法在古代，制備陶器的原料受到宇宙射線和內部放射性核素的照射，內部的粒子吸收

8、能量，從基態(tài)躍遷到激發(fā)態(tài)，這部分能量被儲存起來。當陶器燒制時經(jīng)歷高溫，其儲存在原料礦物晶體中的