利用核科学技术研究和保护文化遗产

表征是使专家能够高度精确地检验考古物件和艺术品的属性并确定其年代、化学成分和来源的过程。该过程使用的并非单一的方法,而是采用不同类型设备和辐射(包括X射线、γ射线、中子和离子束)的多种核技术。

表征可使研究人员洞察物品产生的时间、地点和方式。它能为修复人员提供关于如何有效保护独特的考古人工制品的宝贵信息。表征使专家能够确定一件艺术品是真品还是赝品,并确认它是否受到过非法艺术品交易的影响。使用表征还可能有助于揭示内部结构,包括人工制品中的裂缝、断裂和瑕疵,即使它们是肉眼不可见的。

以下是对一些最常用于表征的核分析技术的概述。

X射线荧光分析是用于分析油画作品、手稿、钱币和陶瓷的元素构成的一种方法。科学家将样品暴露在X射线下,导致样品中的化学元素释放辐射。每个元素都有独一无二的辐射,因此得以准确确定艺术品的构成。

2010年,法国科学家用X射线荧光分析法研究了蒙娜丽莎,这是意大利艺术家列奥纳多·达·芬奇16世纪的一幅杰作。研究人员分析了不同的油漆和釉层的构成和厚度,并得以更好地了解了达·芬奇的"晕染"(sfumato)技法,这种精细的明暗处理创造了颜色之间的柔和过渡,使艺术作品看起来生动逼真。

用于检查材料化学成分和结构的其他方法包括X射线衍射、中子活化分析和各种离子束方法,如质子诱发X射线发射、质子诱发γ射线发射或加速器质谱测定法。利用核技术对其元素构成进行分析的艺术品包括:雕塑家Benvenuto Cellini的500年黄金雕像"萨利埃拉"(the Saliera),该雕像被盗后在奥地利的维也纳森林中被找回;阿尔巴尼亚具有百年历史的圣乔治肖像;以及可追溯至14至18世纪曾存在于当今泰国的阿瑜陀耶王国的黄金和宝石人工制品。

科学家可以使用一种称为放射性碳测龄的方法,以查明有机材料的年代,其中包括由木材、棉花、纸张、皮革、羊毛、丝绸或骨头制成的物品。所有生物体,如动物或植物,都吸收碳。当它们死亡时,碳-14,一种不稳定的碳同位素,开始以已知的速度衰减。专家们利用加速器质谱测定法测量由有机材料制成的艺术品中碳-14的比例,以确定距其被创造以来已经过了多少时间。因此,该技术有助于确定长达五万年历史的遗产物品的年代。

2019年,法国专家应用放射性碳测龄得以证明两幅著名的油画作品 — 一幅是印象派,一幅是点彩派 — 是伪造的。他们发现,这些画布是在20世纪50年代以后制作的,而油画作品据说是在20世纪之交创作的。

放射性碳测龄还被应用于确定意大利"卡皮托林狼"铜像的年代;在克罗地亚海岸的亚得里亚海水域发现的"阿波基希欧梅诺"铜像;以及澳大利亚贡第杰马若人生活区的古代水产养殖系统。

科学家们使用工业射线照相术,以分析文化遗产物品的内部结构和完整性。它们将X射线、γ射线或中子穿透物品以观察其内部。当辐射照射到曝光的胶片或放置在另一侧的专门设计的数码相机上时,它就会产生一个隐藏的图像,包括内部缺陷或裂缝。

此外,用X射线照射油画作品往往有助于识别处于下方的绘画。对毕加索的"老吉他手"— 该艺术家"蓝色时期"最著名的作品之一 — 的X射线分析显示,他重复使用了一块旧画布。颜料下面是他早先完成的两幅作品:一个头向前弯曲的老妇和一个身旁跪着孩子的年轻母亲。

近期的另一个例子是英国对文森特·梵高的油画作品"农妇头像"的分析,从中揭示了艺术家的隐藏自画像。

长期保护独特且不可替代的历史人工制品是一项挑战,因为不当的储存条件会导致滋生细菌,招致昆虫和其他动物,或使得霉菌和其他真菌在人工制品的表面或内部生长,导致其恶化,甚至被完全破坏。电离辐射可以解决这个问题,因为该方式能消除这种害虫。

为了对物品进行消毒,专家们借助专用设备对其进行辐照,如高能电子束加速器、X射线机或含有钴60或铯137放射源的γ辐射加工设施。通常,在使用γ辐照设施时,人工制品会被带到辐照室。该物品被暴露在电离辐射下,然后被带回到外面,进行消毒和去污。

对历史人工制品进行这种处理的一个著名例子是拥有3200年历史的埃及法老拉美西斯二世之木乃伊。1977年,在法国的一个设施中通过γ辐照对其进行了消毒,以消除昆虫和真菌。其他例子包括荷兰和平宫图书馆的书籍、罗马尼亚国家电影档案馆的电影卷轴、在西伯利亚永久冻土中发现的长毛象宝宝以及罗马尼亚圣迈克尔和圣加布里埃尔大天使教堂的木质圣像壁。

当一种物质被暴露在辐射下时,它所接收到的能量会在分子水平上改变其结构。但不同的材料受到的影响是不同的,这取决于化学成分、材料中存在的化学键类型、受照时间和强度。正确实施的处理方法,在破坏活体污染物和害虫的同时,不会对文化人工制品造成任何伤害。

修复人员使用的辐射剂量很小,最多不超过10千戈瑞,因此,文化遗产物品不会受到损害。它们在处理后不会变得具有放射性,也不会对周围的人进行辐照。物品仍然和以前一样,只是现在被消毒了。

传统上,专家们使用化学和物理方法对文化和历史物品进行消毒。这些方法涉及使用有毒物质或热处理,因此可能对物品、修复人员或环境有害。这两种方法都可能代价高昂。此外,如果处理未能触及昆虫或蠕虫栖息的区域,两者都不能保证完全根除害虫。

与传统方法相比,应用辐照技术有几个优点:该技术可在室温下使用,不需要与物品进行物理接触,也不需要任何额外的物质,而且不会留下痕迹或对被处理的材料造成任何损害。在严格的安全条件下,在保护良好的区域进行辐射去污,可以将任何风险降到最低。

辐照可以用来重新建立已恶化物品的化学键,从而帮助强化和稳固人工制品。该方法涉及用液体树脂浸泡物品或材料,然后将其暴露在辐射下,使其硬化和强化。

采用加固法,物品的外观几乎保持不变,但材料及其物理和化学性质受到改变,变得更强、更密。

例如,2011年,辐照被应用于一艘在法国阿尔勒的罗讷河中发现的一艘公元一世纪的罗马木船。在发现之后,随着船逐渐干燥,木材开始碎裂。为了拯救这件古物,核保存研究院的专家们使用了加固技术:他们用一种可辐射固化的树脂浸渍船舶的木材,并将其暴露在电离辐射下,使木材变硬,防止船舶解体。

• 原子能机构的技术合作计划通过培训班、技术会议、科学访问和进修,为各国提供利用核技术以研究和保护文化遗产的能力建设。原子能机构提供必要的设备和设施帮助世界各地的专家进行研究并实施核干预措施。原子能机构还通过提供统一的方法和标准化的程序来支持研究人员和修复人员。
• 原子能机构组织关于利用核科学技术以研究和保护文化遗产的讲习班、会议和特别活动,促进国际专家之间的知识和经验交流。
• 原子能机构促进出版关于文化遗产保护的学术、研究和新闻材料。2011年出版的出版物《核技术用于文化遗产研究》全面介绍了用于分析、修复和保存历史人工制品和艺术品的核技术及相关技术。出版于2017年的图书《电离辐射用于有形文化遗产保护》提供了关于辐射消毒和加固的信息,并介绍了巴西、克罗地亚、法国、罗马尼亚和突尼斯等国家用辐照处理的文物案例。
• 原子能机构指定文化遗产领域的协作中心。目前有四个这样的中心,包括:法国的巴黎-萨克雷大学和核保存研究院;埃及的国家辐射研究和技术中心;以及澳大利亚的澳大利亚核科学和技术组织。
• 原子能机构提供各种关于应用核技术(如用于文化遗产和法医科学的放射性碳测龄、用于考古物件和艺术品表征的X射线光谱测定技术以及工业辐照)的培训班和在线学习机会。