利用核科學技術研究和保護文化遺產

核科學技術經常被用于研究和保護有價值的文物。這些文物包羅萬象,從油畫作品、服裝和樂器,到雕像、武器和盔甲,不一而足,甚至包括埃及木乃伊和整艘古代木船。文化研究機構正越來越多地采用核技術和相關技術來分析和保護無價的歷史物品和藝術品。核技術可有助于解開隱藏在油畫作品表面下的繪畫,甚至檢測出最狡猾的贗品,而且都不會對被研究的物品造成任何損害。輻照等技術也有助于保護文物,因為它可以除去細菌或真菌等微生物,或消滅破壞性的害蟲。

1 表征:利用核技術研究文化遺產

表征是使專家能夠高度精確地檢驗考古物件和藝術品的屬性并確定其年代、化學成分和來源的過程。該過程使用的并非單一的方法,而是采用不同類型設備和輻射(包括X射線、γ射線、中子和離子束)的多種核技術。

表征可使研究人員洞察物品產生的時間、地點和方式。它能為修復人員提供關于如何有效保護獨特的考古人工制品的寶貴信息。表征使專家能夠確定一件藝術品是真品還是贗品,并確認它是否受到過非法藝術品交易的影響。使用表征還可能有助于揭示內部結構,包括人工制品中的裂縫、斷裂和瑕疵,即使它們是肉眼不可見的。

以下是對一些最常用于表征的核分析技術的概述。

分析元素構成:X射線如何有助于揭開達芬奇油畫技法的秘密

X射線熒光分析幫助專家更好地了解達芬奇的油畫技法。

X射線熒光分析是用于分析油畫作品、手稿、錢幣和陶瓷的元素構成的一種方法。科學家將樣品暴露在X射線下,導致樣品中的化學元素釋放輻射。每個元素都有獨一無二的輻射,因此得以準確確定藝術品的構成。

2010年,法國科學家用X射線熒光分析法研究了蒙娜麗莎,這是意大利藝術家列奧納多·達·芬奇16世紀的一幅杰作。研究人員分析了不同的油漆和釉層的構成和厚度,并得以更好地了解了達·芬奇的“暈染”(sfumato)技法,這種精細的明暗處理創造了顏色之間的柔和過渡,使藝術作品看起來生動逼真。

用于檢查材料化學成分和結構的其他方法包括X射線衍射、中子活化分析和各種離子束方法,如質子誘發X射線發射、質子誘發γ射線發射或加速器質譜測定法。利用核技術對其元素構成進行分析的藝術品包括:雕塑家Benvenuto Cellini的500年黃金雕像“薩利埃拉”(the Saliera),該雕像被盜后在奧地利的維也納森林中被找回;阿爾巴尼亞具有百年歷史的圣喬治肖像;以及可追溯至14至18世紀曾存在于當今泰國的阿瑜陀耶王國的黃金和寶石人工制品。

確定年代:同位素如何有助于對付藝術品欺詐

科學家可以使用一種稱為放射性碳測齡的方法,以查明有機材料的年代,其中包括由木材、棉花、紙張、皮革、羊毛、絲綢或骨頭制成的物品。所有生物體,如動物或植物,都吸收碳。當它們死亡時,碳-14,一種不穩定的碳同位素,開始以已知的速度衰減。專家們利用加速器質譜測定法測量由有機材料制成的藝術品中碳-14的比例,以確定距其被創造以來已經過了多少時間。因此,該技術有助于確定長達五萬年歷史的遺產物品的年代。

2019年,法國專家應用放射性碳測齡得以證明兩幅著名的油畫作品(一幅是印象派,一幅是點彩派)是偽造的。他們發現,這些畫布是在20世紀50年代以后制作的,而油畫作品據說是在20世紀之交創作的。

放射性碳測齡還被應用于確定意大利“卡皮托林狼”銅像的年代;在克羅地亞海岸的亞得里亞海水域發現的“阿波基希歐梅諾”銅像;以及澳大利亞貢第杰馬若人生活區的古代水產養殖系統。

剖析:X射線掃描如何揭示兩幅有隱藏的畢加索油畫作品

在畢加索的油畫作品“老吉他手”下面可以看到部分繪畫。研究人員利用X射線發現了隱藏在顏料下面的兩幅先前的繪畫。

科學家們使用工業射線照相術,以分析文化遺產物品的內部結構和完整性。它們將X射線、γ射線或中子穿透物品以觀察其內部。當輻射照射到曝光的膠片或放置在另一側的專門設計的數碼相機上時,它就會產生一個隱藏的圖像,包括內部缺陷或裂縫。

此外,用X射線照射油畫作品往往有助于識別處于下方的繪畫。對畢加索的“老吉他手”(該藝術家“藍色時期”最著名的作品之一)的X射線分析顯示,他重復使用了一塊舊畫布。顏料下面是他早先完成的兩幅作品:一個頭向前彎曲的老婦和一個身旁跪著孩子的年輕母親。

近期的另一個例子是英國對文森特·梵高的油畫作品“農婦頭像”的分析,從中揭示了藝術家的隱藏自畫像。

2 消毒:清除文化遺產物品上的害蟲

長期保護獨特且不可替代的歷史人工制品是一項挑戰,因為不當的儲存條件會導致滋生細菌,招致昆蟲和其他動物,或使得霉菌和其他真菌在人工制品的表面或內部生長,導致其惡化,甚至被完全破壞。電離輻射可以解決這個問題,因為該方式能消除這種害蟲。

為了對物品進行消毒,專家們借助專用設備對其進行輻照,如高能電子束加速器、X射線機或含有鈷-60或銫-137放射源的γ輻射加工設施。通常,在使用γ輻照設施時,人工制品會被帶到輻照室。該物品被暴露在電離輻射下,然后被帶回到外面,進行消毒和去污。

對歷史人工制品進行這種處理的一個著名例子是擁有3 200年歷史的埃及法老拉美西斯二世之木乃伊。1977年,在法國的一個設施中通過γ輻照對其進行了消毒,以消除昆蟲和真菌。其他例子包括荷蘭和平宮圖書館的書籍、羅馬尼亞國家電影檔案館的電影卷軸、在西伯利亞永久凍土中發現的長毛象寶寶以及羅馬尼亞圣邁克爾和圣加布里埃爾大天使教堂的木質圣像壁。

輻射消毒會傷害文化遺產物品嗎?它們會不會變得具有放射性并對人造成危險?

當一種物質被暴露在輻射下時,它所接收到的能量會在分子水平上改變其結構。但不同的材料受到的影響是不同的,這取決于化學成分、材料中存在的化學鍵類型、受照時間和強度。正確實施的處理方法,在破壞活體污染物和害蟲的同時,不會對文化人工制品造成任何傷害。

修復人員使用的輻射劑量很小,最多不超過10千戈瑞,因此,文化遺產物品不會受到損害。它們在處理后不會變得具有放射性,也不會對周圍的人進行輻照。物品仍然和以前一樣,只是現在被消毒了。

使用輻照保護文化遺產有什么優點?

傳統上,專家們使用化學和物理方法對文化和歷史物品進行消毒。這些方法涉及使用有毒物質或熱處理,因此可能對物品、修復人員或環境有害。這兩種方法都可能代價高昂。此外,如果處理未能觸及昆蟲或蠕蟲棲息的區域,兩者都不能保證完全根除害蟲。

與傳統方法相比,應用輻照技術有幾個優點:該技術可在室溫下使用,不需要與物品進行物理接觸,也不需要任何額外的物質,而且不會留下痕跡或對被處理的材料造成任何損害。在嚴格的安全條件下,在保護良好的區域進行輻射去污,可以將任何風險降到最低。

3 加固:恢復文化遺產物品中被削弱的材料

輻照可以用來重新建立已惡化物品的化學鍵,從而幫助強化和穩固人工制品。該方法涉及用液體樹脂浸泡物品或材料,然后將其暴露在輻射下,使其硬化和強化。

采用加固法,物品的外觀幾乎保持不變,但材料及其物理和化學性質受到改變,變得更強、更密。

例如,2011年,輻照被應用于一艘在法國阿爾勒的羅訥河中發現的一艘公元一世紀的羅馬木船。在發現之后,隨著船逐漸干燥,木材開始碎裂。為了拯救這件古物,核保存研究院的專家們使用了加固技術:他們用一種可輻射固化的樹脂浸漬船舶的木材,并將其暴露在電離輻射下,使木材變硬,防止船舶解體。