物理学方法在古陶瓷考古中的应用（一）
[ 摘要 ]
科技考古是一门年轻的学科。它是利用现代科学技术手段，分析研究古代遗迹，获取其丰富的潜信息，旨在探索古代人类社会历史以及人类与自然的相互关系。从考古学的发展上看出，自然科学的学科在理论和方法上的新成果被引入考古学中后，都促使考古学开辟新研究领域和有力推动考古学的发展。
本文着眼于有哪些物理学方法在古陶瓷考古中得到应用，以古陶瓷为研究对象，说明各种物理学方法的原理，优缺点以及所用的设备。以及古陶瓷研究的国内外现状。
[ 关键词 ] 古陶瓷考古 断代技术 结构分析技术 断源技术
第一章 引言
一 概述
物理科学系统地应用于考古学始于本世纪 20-30 年代，出现于 40 年代的碳 14 断代技术对考古学产生了巨大的影响。 1996 年出版的《 Elsevier's Dictionary of Archaeological Materials and Archaeometry 》将 Archaeometry 定义为“自然科学，主要是物理学和化学，在考古学中的应用”，它主要包括以下几个方面： 1 、考古遗址的定位和考察； 2 、无出处的分散考古材料和器物的鉴定； 3 、古代材料与技术的分析与解释； 4 、年代测定； 5 、古代材料与器物产地的确定。
物理学方法贯穿了古陶瓷考古工作的始终，而且已经系统化，且互相参照。热释光、加速器质谱仪、电子自旋共振、穆斯堡尔谱学等断代法是断定年代的主要方法。对于器物的化学成分和物理、结构分析采用穆斯堡尔谱学、 X 射线荧光分析、 电感耦合等离子体质谱法 (ICP-MS) 、 中子活化分析、原子吸收和原子发射光谱、 X 射线或衍射法。
二 我国的古陶瓷研究现状
中国是世界上唯一具有连续不断悠久历史的文明古国。考古研究对象具有系统性、完整性、民族文化多元性以及时空范围的广阔性和复杂性，为考古与科技考古提供 了巨大的实验舞台，是我国考古与科技考古得天独厚的条件。由于 这个优势，我国在器物结构、工艺方面的研究也达到了国际水平。上海博物馆热释光测定年代长期处于国际领先地位，这不能不说与它的鉴定对象 —— 陶器的来源丰富有关。中科院上海硅酸盐研究所长期以来对我国的陶瓷器及其装饰进行了大量而系统的研究， “ 总结出我国陶瓷发展的五个里程碑，涉及原料选择精制、窑炉改进和瓷釉进展的发展过程。硅酸盐研究所的工作可以说是引导国际古陶瓷研究的方向。 ”
中国古陶瓷不仅历史悠久，而且生产地区广阔。真是代有名瓷，地有特色。很久以来就吸引着国内外收藏家、观赏家和各大博物馆的高度重视。由于中国古陶瓷在历史、文化艺术和科技上的突出成就，历来就价格不菲并出现仿制品，特别是近来利用现代科技手段精仿的各类名瓷更层出不穷。这就要求考古界和科技界联合起来建立一套多学科综合鉴定模式。这套模式必须能对大件器物进行无损可靠的鉴定。
由于多种原因和需要使得中国古陶瓷的鉴定工作受到考古界和科技界等多方面的重视。根据不完全的统计，目前在北京、上海等地间接或直接参与这一工作的单位就有中国社会科学院考古所、故宫博物院、中国历史博物馆、北京大学考古系、 香港中文大学中科古物鉴证实验室 、中国科学院高能物理研究所、上海博物馆、复旦大学、中国科学院上海硅酸盐研究所、合肥中国科技大学科技史与科技考古考古系、陕西科技大学 ( 原西北轻工业学院 ) 、郑州大学、香港城市大学等单位。
第二章 各种物理学方法的介绍
第一节 断代测年技术
一、碳十四测年法
碳十四测年法又称放射性同位素（碳素）断代法，一般写作 14 C 。 14 C 断代方法由美国芝加哥大学利比（ Libby ）教授于 1949 年提出。
1 、碳十四断代法的原理
自然界存在三种碳的同位素： 12C （ 98.9% ） , 13C (1.19%), 14C (10-10%) ，前两者比较稳定，而 14C 属低能量的放射性元素。 14 C 的产生和衰变处于平衡状态，其半衰期为 5730±40 年（现在仍使用 5568±30 年）。宇宙射线同地球大气发生作用产生了中子，当热中子击中 14 N 发生核反应并与氧作用便产生了地球上的 14 C 。在大气环境中新生 14 C 很快与氧结合成 14 CO2 ，并与原来大气中 CO2 混合，参加自然界碳的交换循环。植物通过光合作用吸收大气中的 CO2 ，动物又吃植物，因而所有生物都含有 14 C 。生物死后，尸体分解将 14 C 带进土壤或大气中，大气又与海面接触，其中的 CO2 又与海水中溶解的碳酸盐和 CO2 进行交换。可见凡是和大气中进行过直接、间接交换的含碳物质都含 14 C 。同时 14 C 又以 5730 年的半衰期衰变减小；加上碳在自然界的循环交换中相当快，使得 14 C 在世界各地的水平值基本一致。如果生物体一旦死亡， 14 C 得不到补充，其中的 14 C 含量就按放射性衰变规律减少，经过 5730 年减少为原来的一半。因此可以计算出生物与大气停止交换的年代 t ，即推算出生物死亡的年代。所以，一切死亡的生物体中的残存有机物以及未经风化的骨片、贝壳等都可用 14 C 来测定年代。
要说明的是， 14 C 测年法基于几个假设条件之上： ① 假设大气中 14 C 的产生率不变。地球上的交换碳近数万年来基本恒定，但 19 世纪后半叶工业活动的增加， 20 世纪原子弹的爆炸形成的工业效应、原子弹效应，已减少了大气中 14 C 的含量。 ② 假定放射性衰变规律不变，不受任何外界环境的影响，生物样品一旦死亡就停止与碳储存库进行自由交换。半衰期最初为 5568 年，近年来推算应为 5730 年。但这个对研究影响不大。 ③ 地球上各交换库中 14 C 的放射性比重不随时间、地点、物质种类而改变，这个假设经检验基本成立。国际公认 14 C 测年中的 B 、 P 起算点是 1950 年（因为之后人工核爆炸产生的大量 14C 对大气影响很大）， 1850—1950 年间的样品因工业化过程释放的 CO2 使得 14C 测年数据稍偏老。
2 、碳十四断代法的优缺点
14C 断代法是目前最精确的测年方法，具有许多优点。（ 1 ）测量范围广，可测定 1000—50000 年内的考古样品。（ 2 ）样品易得，凡是含碳的骨头、木质器具、焦炭木或其它无机遗留物均可。（ 3 ）对样品要求不严，埋藏条件不要求，取样也很简单。尽管如此， 14 C 断代法仍存在一些问题。 ① 测量范围有限，受半衰期规律的限制，其最大可测年限不超过四万年，而且样品年龄愈老，愈接近此极限值，测量误差愈大 。 ② 合适的样品难以采集，要满足纯粹不受污染而且要求一定的重量。如古代样品在埋藏中易受到后代动植物腐烂后的可溶碳化合物的污染；一些珍贵样品不能大量取样。 ③ 必须使用大量的样品，而且测量时间较长。 ④ 因种种原因，过去大气中的 14 C 放射性水平不稳定、 14 C 粒子衰变本身的波动性，那么用现代统一的 C 标准测定的年代不能等同于日历，只能是 14 C 年代，现在这个问题已得到解决，即用树木年轮法校正。
3 、现状和应用
中国社会科学院考古研究所在碳 14 断代工作的成绩尤为突出，是全国同类实验室中建立时间最长、公布数据最多的一个实验室。由于古陶瓷几乎不含碳，所以 14 C 断代法在古陶瓷断代方面失去效用。
4 、加速器质谱碳十四测年方法
针对 14 C 测年法的局限性， 70 年代末加速器质谱碳十四计数法应运而生，以 1978 年在罗切斯特大学召开的第一次国际加速器质谱会议为诞生标志。加速器质谱测年技术（ AMS——Accelerator Mass Spectrometry ）与 14 C 年代法原理相同，只是以对碳十四原子计数代替对 β 粒子的计数。 AMS 是加速器技术、质谱技术和探测鉴别技术的产物，具有一些优点。首先 AMS 所需样品量少，一般 1-5 毫克就足够了，甚至 20-50μg 。其次，精确度高，灵敏度可达 10-5 至 10-6 ，误差能达到不超过 0.3%±18 年。第三测定年代扩展到 7.5-10 万年。第四，测量时间短，一般几十分钟就可测试一个样品。 还有， AMS 不受环境影响，不象 β 线计数要考虑宇宙光体。 AMS 14C 断代法自问世以来，广泛应用于考古学、古人类学、地质学、物理学、天体物理学、环境科学、生物医学等领域。
AMS 超过 14 C 断代法对新石器时代完整年代序列的成就，因其取样少（加速器质谱仪为小样品或含碳量极少的样品）给 14 C 分析带来了新的途径，甚至可以解决其他问题，诸如陶器起源的追溯、人类祖先何时到达美洲、农业起源的时间等问题 。
目前北大考古系有 AMS 。 夏商周断代工程，也采用了 AMS 。
二 热释光测年法
热释光（ Thermoluminescence ，简称 TL ）为一种物理现象。它是晶体受到辐射作用后积蓄起来的能量，在加速过程中重新以光的形式释放出来的结果。它可以确定考古遗物的年代，又可对古代文物尤其是古陶器的真伪进行鉴别
• 热释光测年原理
热释光是陶器中放射性杂质和周围环境发出的微弱的核辐射通，长期作用在陶质器物中产生的一种效应。这些放射性杂质主要有 U 、 Th 系列核素和 40K ，以及适量的磷光物质石英等晶体，它们的半衰期很长（大于 109 年），故而将它们视为每年提供大小恒定的固定照射剂量的放射源。而陶器中的矿物晶体如石英、长石、方解石等晶格缺陷受到上述放射性核素发出的 α 、 β 和 γ 放射照射时，会产生自由电子，这些电子常被晶陷俘获而积聚起来。在石英、长石晶粒被加热到 1500℃ 以上时，这些被俘获的电子会从晶陷中逃逸出来，并以发光的形式释放能量，即热释光，而石英等晶体就成为磷光体。一件陶器样品加热时发射的热释光越强，其年代越长，反之则短。陶器在烧制过程中，经过 500 -1000℃ 左右的高温，陶器粘土中的矿物晶体释放原来贮藏的热释光。热释光不同于一般加热后的炽热发光，它是放射性能量储存的标志。释放完后，陶器晶体继续接受、贮藏大小恒定的固定辐射能，这些辐射能是陶器烧成后开始增加的，可以作为陶器年龄的标志，换句话说，热释光测定的是样品最近一次受热事件以来所经历的时间。这个辐射能为陶器总的吸收剂量或累积剂量，统称 “ 古剂量 ” 。然而每件陶器的内部放射性物质含量和外部提供的辐射剂量不一样，况且一旦陶器埋藏在地下，周围土壤放射性射线电对陶器有作用，所以需要测定器物各自的年剂量，即每年提供给陶器中磷光体的辐射吸收剂量。它由陶器内部放射性物质提供的 α 、 β 剂量，陶器埋葬土壤提供的 Y 剂量和宇宙空间提供的宇宙射线年剂量四部分组成。陶器的热释光总年剂量与陶器烧制后产生的时间成正比。
热释光断代有好几种方法。主要有：（ 1 ）利用细颗粒测定年代。将样品碎片夹碎，悬浮使之分离，将悬浮的颗粒沉积到圆盘上去测量；（ 2 ）利用夹杂物测定年代。一般利用陶器中的石英晶体；（ 3 ）前剂量法测定年代。根据灵敏度变化规律测出热释光值。（ 4 ）还有其他方法，如相减技术、锆石或长石技术、薄片技术等 。
2 、仪器
专门的热释光测定年代装置由加热系统、光测量和微计算机几部分组成。将粉末状样品直接或间接放在电热板上，一旦加热，热电偶（测量加热温度的仪器）将加热的信号输入 x-y 记录仪的 x 轴，这样，热释光对温度的坐标图就可以在加热过程中直接测得。热电偶的信号同时输入伺服控制系统，以便伺服系统控制通过加热板的变压器电流。光的测量由探测、转换和记录三部分组成。当光打到阴极时，光电材料将光子转换成电子，每一个从光阴极发射的电子到达阳极时已变成几百万个电子，这样在阳极产生一个连续的电子脉冲。阳极输出的信号通过脉冲放大器和甄别器把选择出来的脉冲输入光子率表。率表将信号分成两种，一路转换成电压接入 x-y 记录仪，另一种信号入峰值积分仪，将需要的光子信号转换成数字信号，输入微机系统，微机系统由同步显示和数据处理两部分软件完成。
3 、热释光测年的优缺点
热释光测年法的适用范围广，可从 5000 年到 50000 年甚至 50 万年不等，可测从旧石器时代的火烧土，最原始的陶器直到近百年的瓷器。测定对象除了陶器火烧土外，也可对燧石、黄土，方解石进行测定。热释光测年法尤其对原始文化的年代确定意义重大，特别是没有 14 C 标本或 14 C 标本可疑的遗址，因为陶器作为测试对象不会因发掘时打破层位或乱层现象发生麻烦。
热释光测年法以标本用量少、速度快（几小时）、跨度大而备受欢迎。
热释光最大的优势是古代遗物的真伪签别。制作精美的陶瓷器成为伪造仿造的首选对象。这些文物用传统的鉴定法对其外观、艺术风格、纹饰铭文进行辨别，但相当多的赝品已可以假乱真，这就需要借助现代科技手段作鉴定。如果能够确知某件器物的年代，则对其真伪的签别解决了一个关键性的因素，因为伪造品距今一般不过百年左右，而真品通常在几百年以上，对其年代的测定，热释光是较容易做到的。在这方面，已有学者做了很好的研究和尝试。
缺点就是外来因素影响较大，例如阳光的照射。
