利用核子科學技術研究和保護文化遺產(20230509)
2023/05/09
Nuclear Explained
可以在核子技術的協助下分析和保護文化遺產，包括藝術品和考古物品。
核科學技術經常被用於研究和保存有價值的文物。這些物品包括從繪畫、服裝、樂器、雕像、武器和盔甲，甚至埃及木乃伊和整艘古木船。文化機構越來越多地採用核子和相關技術來分析和保護無價的歷史文物和藝術品。核子技術可以幫助解鎖隱藏在繪畫表面下的圖畫，甚至可以檢測出最狡猾的偽造品，而且這些都不會對所研究的物體造成任何的損害。輻射照射技術還可以通過對文物進行消毒，使其免受細菌或真菌等微生物的侵害，或根除破壞性害蟲，從而幫助保護文物。
- 特性描述：利用核子技術研究文化遺產
特性描述是一個過程，使專家們能夠非常準確地檢查考古和藝術品的特性，確定它們的年代、化學成分和來源。它不是單一的方法，而是使用多種類型的設備和輻射，包括 X射線、加馬射線、中子和離子束等多種核子技術。
特性描述可以為研究人員提供有關某物品創造的時間、地區及方法等資訊。它為修復者提供了有關如何有效保護獨特考古文物的寶貴訊息。它使專家們能夠確定一件藝術品是真品還是贗品，並確定它是否為非法的藝術品交易。使用特性描述還可以幫助揭示物品內部結構，包括人工製品中的裂縫、斷裂和瑕疵，即使它們是肉眼不可看見的情形。
以下將說明一些最常用於特性描述的核子分析技術。
分析元素成分：X射線如何幫助解開達芬奇繪畫技巧的秘密
X射線螢光分析協助專家們更深入了解達芬奇的繪畫技法。
用於分析繪畫、手稿、硬幣和陶瓷元素組成的一種方法是X射線螢光(XRF)分析。通過將樣本曝露在X射線下，科學家可以使樣本中化學元素的輻射釋放出來， 這種輻射對於每個元素都是獨一無二的，因此能夠準確地確定藝術品的成分。
2010年，法國科學家使用XRF方法研究了意大利藝術家達文西於 16世紀的蒙娜麗莎傑作。研究人員分析了不同顏料和釉層的成分與厚度，從而更深入了解達文西的“暈染”技術，這種技術使藝術品看起來如此逼真。
其他用於檢查材料化學成分和結構的方法包括X射線繞射(XRD)、中子活化分析(NAA)和各種離子束方法，例如質子誘導X射線放射 (PIXE)、質子或加馬射線誘導發射(PIGE)或加速器質譜分析(AMS)。 曾經使用核子技術分析其元素成分的藝術品包括：雕塑家本韋努托·切利尼(Benvenuto Cellini)擁有500年歷史的金色雕像Saliera，曾被盜竊後來從奧地利的維也納森林中找回；阿爾巴尼亞擁有數百年歷史的聖喬治肖像；以及可追溯到14世紀至18世紀存在於當今泰國的大城府王國的黃金和寶石手工藝品。
確定年齡：同位素如何協助解決藝術欺詐
對一幅印象派畫作進行了測試，以確定這幅畫是否是偽造的。
為了找出包括由木材、棉花、紙、皮革、羊毛、絲綢或骨頭等有機材料製成物體的年齡，科學家們可以使用一種稱為放射性碳測年的方法。 所有動物或植物生物體都會吸收碳，當它們死亡時，碳的不穩定同位素碳-14會開始以已知速率衰變。專家使用加速器質譜分析法(AMS)測量由有機材料製成藝術品中碳-14的比例，以確定自創作以來經過了多長時間。因此，該技術有助於確定長達50,000年文物的年齡。
通過應用放射性碳年代測定法，法國專家在2019年證明兩幅著名的畫作，包括一幅印象派和一幅點彩派的作品是偽造的。他們發現這些畫布是在1950年代之後製造的，而這些畫作據說是在20世紀初創作的。
放射性碳年代測定法也被用於確定年代，包括意大利卡比托利歐狼青銅雕像；在克羅地亞海岸附近的亞得里亞海水域發現的Apoxyomenos 青銅雕像；以及澳大利亞Gunditjmara人所在國家的古老水產養殖系統。
觀察內部：X光掃描如何揭示隱藏的兩幅畢加索畫作
在“老吉他手”下發現了兩幅畫。
為了分析文化遺產物件內部的結構和完整性，科學家們使用工業射線照相術。 它們藉由X射線、加馬射線或中子穿過物體以觀察其內部情況。當輻射照射到在另一側曝光的膠片或專門設計的數碼相機時，它會創建一個隱藏在肉眼視線之外的圖像，包括物件內部的缺陷或裂縫。
此外，X射線通常有助於識別位於繪畫下方的另一幅繪畫。畢加索的“老吉他手”，是這位藝術家“藍色時期”最著名的作品之一，而 X射線分析顯示，他重複使用了一塊舊畫布。顏料下面是他之前畫的兩幅作品：一個向前低著頭的老婦人以及另一幅是一個孩子跪在身邊的年輕母親。
另一個最近的例子是對文森特梵高在英國畫作“農婦頭像”的分析，顯示了這位藝術家一幅隱藏的自畫像。
- 消毒：去除文化遺產物品上的有害蟲菌
長期保護獨特、不可替代的歷史文物會具有挑戰性，因為不當的保存條件會導致細菌、昆蟲和動物，或黴菌與真菌在文物的表面或內部滋生，導致它們變質甚至完全被毀壞。因為游離輻射具有消除此類害蟲的能力，它可能是解決此問題的一個方案。
為了對物品進行消毒，專家們會藉助特殊設備對其進行輻射照射，例如使用高能電子束加速器、X光機或含有鈷-60或銫-137輻射源的加馬輻射處理設施。通常，人工製品會被送進輻射照射室中進行加馬輻射照射，在那裡，它被曝露在游離輻射下，然後再被送回至室外，進行消毒和除污。
在加馬輻射照射設施中對文化遺產物品進行消毒。
歷史文物經過這種處理的一個著名例子，是埃及法老拉美西斯二世 3,200年的木乃伊。它於 1977年在法國的一處設施中被施以加馬輻射照射進行消毒，以消滅昆蟲和真菌。其他例子包括了來自荷蘭和平宮圖書館的書籍、來自羅馬尼亞國家電影檔案館的膠卷、在西伯利亞永凍土中發現的猛獁象寶寶以及羅馬尼亞聖邁克爾和與布里埃爾教堂的木製聖像。
輻射消毒會傷害文物嗎？它們會變得具有放射性並對人類造成危險嗎？
當一種物質接受輻射曝露時，它會接收到能量並在分子層次上改變其結構。 但不同的材料會受到不同程度的影響，這取決於其化學成分、材料中化學鍵的類型、接受曝露的時間和強度等。 正確的處理措施在破壞活污染物和害蟲的同時，不會對文物本身造成傷害。
修復者使用小於10,000戈雷劑量的輻射，因此文化遺產物品不會受到損壞。它們在接受照射後不會變得具有放射性，也不會有輻射影響到周圍的人。物品仍保持原樣，只是現在已完成殺菌與消毒。
使用輻射照射保護文化遺產有哪些優點？
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。 這些包括使用有毒物質或熱處理，因此可能會對物體、修復者或環境造成傷害。同時這兩種方法可能都很昂貴。此外，如果處理沒有到達昆蟲或蠕蟲棲息的區域，使用這兩種方法都不能保證可以完全根除害蟲。
與傳統方法相比，應用輻照技術有幾個優點：它們可以在室溫下進行，無需與物體有實體接觸，也不需要添加任何額外的物質，並且它們不會留下痕跡或對處理過的材料造成任何損壞。通過在嚴格安全條件下於受保護區域內進行輻射除污，可以將任何風險降至最低。
- 鞏固：修復文化遺產物件中弱化的材料
輻射照射可用於重建損壞物體中的化學鍵，從而有助於加強和固化人工製品。該方法包括用液體樹脂浸泡物體或材料，然後將其曝露在輻射下以使其硬化和強化。
通過鞏固法，物體的外觀幾乎保持不變，但材料及其物理和化學性質發生了變化，變得更堅固、更密質。
例如，2011 年，在法國阿爾勒的羅訥河發現了一艘公元一世紀的羅馬木船，並對其進行了輻射照射。 於發現之時，隨著船體的乾燥，木頭開始碎裂。為了挽救這件古老的遺跡，ARC-Nucléart的專家們使用了加固技術：他們用輻射固化樹脂浸漬了船的木材，並將其曝露在游離輻射下，使木材硬化，防止船體分崩離析。
古羅馬船 Arles-Rhône 3 在法國阿爾勒古代博物館
IAEA的功能是什麼？
▪ IAEA的技術合作計畫是通過培訓課程、技術會議、科學交流和研究講學金，為各國提供利用核子技術研究和保護文化遺產的能力建設。 IAEA提供必要的設備和設施以協助世界各地的專家，進行相關研究和實施核子干預。 它還透過提供統一的方法和標準化程序以支援研究人員和保護人員。
- IAEA利用核子科學技術研究和保護文化遺產的講習班、會議和特別活動，促進國際專家之間的知識和經驗分享。
- IAEA促進有關文化遺產保護的學術、研究和公共訊息材料的出版品。 2011年的出版物《文化遺產研究的核子技術》整體描述了用於分析、修復和保存歷史文物與藝術品的核子與相關技術。2017年出版的一本書《游離輻射用於有形文化遺產的保護》提供了輻射消毒和加固的訊息，並介紹了巴西、克羅地亞、法國、羅馬尼亞和突尼斯等多個國家使用輻照處理物品的案例。
- IAEA在文化遺產領域劃定合作中心。目前有四個這樣的中心，包括法國的巴黎薩克萊大學和ARC-Nucléart、埃及的國家輻射研究與技術中心以及澳洲的澳大利亞核子科學技術機構(ANSTO)。
- IAEA提供各種關於核子技術應用培訓課程和網路學習的機會，例如用於文化遺產和法醫學的放射性碳測年法、用於考古和藝術品的特性描述以及工業輻射照射的 X 射線光譜技術。