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文物考古与化学

文章出处:cn 人气:发表时间:2018-01-15 14:44

  化学与文物考古
 

  在人类社会发展的历史长河中,历代先民建造和使用过的具有历史、艺术或科学价值的各种遗存实物形成了我们今天的文物。

  我国是一个历史悠久的文明古国,文物更是枚不胜举,为了保护珍贵的文物,学习一些文物保护知识是非常必要的。

  如果要提到化学在文物考古中的应用,很容易想到的可能就是在无机化学中接触到的C-14断代法。该法建立在活的有机体中C-14/12C之比保持恒定,而死的有机体中C-14的含量由于衰变而逐渐减少这一基础上。1950年美国芝加哥大学教授W·F·LIbby创立了C-14断代法,并因创立该法而获得了诺贝尔化学奖。

  我国文物考古工作者应用C-14断代法,取得了许多重大成就,其中有些成果甚至改变了旧的观点,如河套人、峙峪人、资阳人和山顶洞人等,原来认为其活动年代为5万年或5万年以前,但应用C-14断代法证明其均在4万年以内,甚至山顶洞人可晚到1万多年,这一研究结果表明旧石器晚期文化变迁和进展速度比考古工作者原先想象的要快。再如,在汉代冶铁遗址中曾发现有煤的使用,这一发现使一些考古工作者认为在汉代时就已把煤用于冶铁,但后来从铁器中14C的鉴定结果推断,我国在宋代才开始把煤炭用于冶铁,尽管汉代冶铁遗址中有发现有煤,但并未用于炼铁。

  以上两个例子都表明了化学应用于考古学,对文物考古工作的重大影响,单从对现代考古学具有重大推动作用的C-14断代法能够获得诺贝尔化学奖这一事实,我们已不难想象化学对考古学的重大意义了。当然,化学在文物考古上的应用不会、也不可能公限于C-14断代法,在文物考证、文物腐蚀损害过程和文物保护等各方面,都涉及和应用着很多化学知识。

  一、化学在文物考证上的应用

  据文献报道,我国出土古代玻璃(琉璃)的地区已遍及二十多个省市。那么这些出土的玻璃究竟是国内烧制的还是从外国传入的呢?化学在判定这些文物的产地上显示了其价值,这可以通过测定玻璃中铅的含量而确定。原料,我国唐宋以前的玻璃主要是铅钡玻璃,其成分属Na2O-PbO-BaO-SiO2系统玻璃,而西方和印度古代玻璃属于钠钙玻璃类。

  化学上的很多仪器分析方法都可应用于文物考证上,从下面的两个例子就可见一斑。

  本世纪四五十年代,在欧洲古董市场,曾有售价很高的“战国陶俑”出现,人们难辨其真,后来,英国牛津实验室采用热释光技术——一种化学中的热分析方法进行鉴定,结果证明是近代制作的赝品。其所以热释光方法能推断古陶的年代,这是因为粘土中含有石英、长石、云母等固体结晶颗粒,受粘土中少量长寿命天然放射性物质如U-238、Th-232、K-40等及宇宙射线作用,一部分电子跃迁到高能级上。当用粘土烧制陶器的时候,这些高能级上的电子以热释光的形式将能量释放又回到低能级,而古陶从烧成时起,重新受其中放射性物质和宇宙射线作用,低能级电子再一次回高能级跃迁,这样,陶器的烧成时间越长,年代越久,则积累的能量也就越多,也就是说,古陶的热释光强度与本身受到辐射的时间(即烧成时间)成正比,因此,测量古陶样品的热释光强度,就可以计算出古陶烧成的年代。

  1965年在湖北楚墓出土的越王勾践剑,应用X-射线荧光分析方法,由于不同元素具有不同的特征X-射线荧光,且其强度反映了元素含量,因而人们推测该剑身为铜锡金,并经过了硫化处理。应用化学方法,考古工作者研究考证了文物的制作工艺。

  二、文物腐蚀及损害过程

  文物腐蚀及损害过程不仅仅是一个化学过程,除去人为因素的破坏之外,也可能有细菌侵蚀、虫蛀等生物作用,或如变形、开裂等机械因素等等。但文物与化学物质作用,是文物发生腐蚀和损害的一个重要因素。

  关于文物腐蚀过程的化学,一个最熟悉的例子可能是铁器的腐蚀。还有一个容易理解的例子,就是在某些墓壁画中常可见到其上有一种白膜覆盖,研究发现这种兵损害的发生是由于渗入壁画中溶有二氧化碳的水可缓慢溶解碳酸钙形成碳酸氢钙经蒸发干燥后又沉淀出碳酸钙凝结在壁画表面。

  对于纸质文物,酸性环境显然是有害的,因为纸张在中性或偏碱性时,其耐久性、耐折性等机械性能及抗霉性和化学稳定性能都比较好,但空气中的氮氧化合物、二氧化硫等都是酸性气体,它们都易使纸质文物的酸性增大,而对文物造成损害。

  三、化学与文物保护

  化学化工及材料保护学上的科技成果,可在文物保护上借鉴和应用。如苯三氮唑(BTA)是铜及铜合金优良的缓蚀剂,而BTA被借鉴用于青铜器的保护,也取得了良好的作用。一般出土的漆木文物都饱含水分,易发生干缩、变形、弯曲、脱皮、干裂、因而必须脱水定形、明矾【KA1(SO4)2·12H2O】法就是漆木文物脱水定形的常用方法之一。这种方法主要是利用了明矾在不同温度下水溶性差别大的特点。先将饱含水分的漆木文物在浓的明矾溶液中煮沸数小时,这一过程使明矾充分渗入到文物内部,然后趁热拿出,冷却时明矾溶解度减小凝结在木质内部而将其中的多余水分排出。这样即排除了漆木文物中的多余水分,还对文物有加固作用。

  壁画颜料中的铅白【Pb2(OH)2CO3】由于受空气中硫化氢气体的作用而变成黑色的硫化铅,影响画面的色泽,当用过氧化氢处理时,就可使黑色的硫化铅氧化成白色的硫酸铅。

  化学在文物考古中有着广泛的应用,以上只是其中一些方面的简单介绍,但从基本我们应该认识到化学及其它自然科学正在与考古学融合发展,这正如化学与其它自然科学、其它社会科学融合发展一样。

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