利用核科学技术研究和保护文化遗产

可以在核技术的帮助下分析和保护文化遗产，包括艺术品和考古物品。(图片：A. Vlasov/IAEA)

核科学技术经常被用于研究和保存有价值的文物。这些物品包括从绘画、服装和乐器到雕像、武器和盔甲的一切——甚至埃及木乃伊和整艘古木船。文化机构越来越多地采用核技术和相关技术来分析和保护无价的历史文物和艺术品。核技术可以帮助解锁隐藏在绘画表面下的图画，甚至可以检测出最狡猾的伪造品，所有这些都不会对所研究的物体造成任何损害。辐照等技术还可以通过对文物进行消毒，使其免受细菌或真菌等微生物的侵害，或根除破坏性害虫，从而帮助保护文物。

1. 表征：利用核技术研究文化遗产

表征是一个过程，使专家能够非常准确地检查考古和艺术品的特性，确定它们的年龄、化学成分和来源。它不是单一的方法，而是使用不同类型设备和辐射(包括 X 射线、伽马射线、中子和离子束)的多种核技术。

表征为研究人员提供了关于何时、何地以及如何创建项目的见解。它为修复者提供了有关如何有效保护独特考古文物的宝贵信息。它使专家能够确定一件艺术品是真品还是假货，并确定它是否受到非法艺术品交易的影响。使用表征还可以帮助揭示内部结构，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。

这里概述了一些最常用的用于表征的核分析技术。

分析元素成分：X 射线如何帮助解开达芬奇绘画技巧的秘密

X射线荧光分析帮助专家们更好地了解达芬奇的绘画技法。(照片：C2RMF)

用于分析绘画、手稿、硬币和陶瓷元素组成的一种方法是 X 射线荧光 (XRF) 分析。通过将样本暴露在 X 射线下，科学家可以释放样本中化学元素的辐射。这种辐射对于每个元素都是独一无二的，从而能够准确地确定艺术品的成分。

2010年，法国科学家利用XRF方法研究了意大利艺术家达芬奇16世纪的杰作《蒙娜丽莎》。研究人员分析了不同层次的颜料和釉料的成分和厚度，从而能够更好地理解达芬奇的“晕彩”技术，这种技术使艺术品看起来如此逼真。

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(XRD)、中子活化分析(NAA) 和各种离子束方法，例如质子诱导 X 射线发射(PIXE)、质子-诱导伽马射线发射 (PIGE) 或加速器质谱 (AMS)。使用核技术分析其元素成分的艺术品包括：雕塑家本韦努托·切利尼 (Benvenuto Cellini) 拥有 500 年历史的金色雕像 Saliera，被盗，后来从奥地利的维也纳森林中找回;阿尔巴尼亚的圣乔治百年肖像;以及黄金和宝石手工艺品可以追溯到 14 世纪到 18 世纪存在于当今泰国的大城府王国。

确定年龄：同位素如何帮助解决艺术欺诈

对一幅印象派画作进行了测试，以确定这幅画是否是伪造的。(照片：L. Beck/巴黎萨克莱大学)

为了找出有机材料的年龄，包括由木材、棉花、纸、皮革、羊毛、丝绸或骨头制成的物体，科学家们可以使用一种称为放射性碳测年的方法。所有生物体，例如动物或植物，都会吸收碳。当它们死亡时，碳的不稳定同位素碳 14开始以已知速率衰变。专家使用加速器质谱法 (AMS) 测量由有机材料制成的艺术品中碳 14 的比例，以确定自创作以来经过了多长时间。因此，该技术有助于确定长达 50 000 年的文物的年龄。

通过应用放射性碳年代测定法，2019 年法国的专家能够证明两幅著名的画作——一幅印象派和一幅点画派——是伪造的。他们发现这些画布是在 1950 年代之后制造的，而这些画作据说是在 20 世纪初创作的。

放射性碳年代测定法也被用于确定意大利卡比托利欧狼青铜雕像的年代 ;在克罗地亚海岸附近的亚得里亚海水域发现的 Apoxyomenos 青铜雕像;以及澳大利亚 Gunditjmara 人所在国家的古老水产养殖系统。

看内部：X 光扫描如何揭示隐藏的两幅毕加索画作

为了分析文化遗产对象的内部结构和完整性，科学家们使用工业射线照相术。它们使 X 射线、伽马射线或中子穿过物体以观察其内部。当辐射照射到曝光的胶片或放在另一侧的专门设计的数码相机时，它会创建一个隐藏在视线之外的图像，包括内部缺陷或裂缝。

此外，绘画的 X 光通常有助于识别位于下方的绘画。毕加索的“老吉他手”——这位艺术家“蓝色时期”最著名的作品之一——的 X 射线分析显示，他重复使用了一张旧画布。颜料下面是他之前画的两幅作品：一个头向前低着的老妇人和一个孩子跪在她身边的年轻母亲。

另一个最近的例子是对文森特·梵高在英国的画作《农妇头像》的分析，揭示了艺术家隐藏的自画像。

2. 消毒：去除文化遗产物品上的有害害虫

长期保护独特、不可替代的历史文物可能具有挑战性，因为不当的储存条件会导致细菌、昆虫和动物，或霉菌和真菌在文物的表面或内部滋生——导致它们变质甚至完全毁坏. 电离辐射可以解决这个问题，因为它具有消除此类害虫的能力。

为了对物体进行消毒，专家们借助特殊设备对其进行辐照，例如高能电子束加速器、X 光机或含有钴 60 或铯 137 放射源的伽马辐射处理设施。通常，在伽马辐射设施中，人工制品被带到辐照室。在那里，它被暴露在电离辐射下，然后被带回室外，进行消毒和去污。

在伽马辐照设施中对文化遗产物品进行消毒。(图片：A. Vargas/国际原子能机构)

经过这种处理的历史文物的一个著名例子是埃及法老拉美西斯二世的3200 年木乃伊。它于 1977 年在法国的一家设施中通过伽马辐射进行了消毒，以消除昆虫和真菌。其他例子包括来自荷兰和平宫图书馆的书籍、来自罗马尼亚国家电影档案馆的胶卷、在西伯利亚永冻土中发现的猛犸象宝宝以及罗马尼亚圣迈克尔和加布里埃尔教堂的木制圣像。

辐射消毒会伤害文物吗?它们会变得具有放射性并对人类造成危险吗?

当一种物质暴露在辐射下时，它会接收到在分子水平上改变其结构的能量。但不同的材料会受到不同的影响，具体取决于化学成分、材料中存在的化学键类型、暴露时间和强度。正确实施的处理在破坏活污染物和害虫的同时，不会对文物造成伤害。

修复者使用最多 10 千戈瑞的小剂量辐射，因此文化遗产的物品不会受到损坏。它们在治疗后不会变得具有放射性，也不会辐射到周围的人。物品保持原样，只是现在已消毒。

使用辐照保护文化遗产有哪些优势?

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。这些涉及使用有毒物质或热处理，因此可能对物体、修复者或环境有害。这两种方法都可能很昂贵。此外，如果处理没有到达昆虫或蠕虫栖息的区域，它们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：它们可以在室温下使用，无需与物体进行物理接触或不需要任何额外的物质，并且它们不会留下痕迹或对处理过的材料造成任何损坏。通过在严格的安全条件下在受保护的区域进行辐射去污，可以将任何风险降至最低。

3. 巩固：修复文化遗产对象中的弱化材料

辐照可用于重建损坏物体的化学键，从而有助于加强和固化人工制品。该方法包括用液体树脂浸泡物体或材料，然后将其暴露在辐射下以使其硬化和强化。

通过固结法，物体的外观几乎保持不变，但材料及其物理和化学性质发生了变化，变得更坚固、更致密。

例如，2011 年，在法国阿尔勒的罗讷河发现了一艘公元一世纪的罗马木船，并对其进行了辐照。发现之后，随着船的干燥，木头开始碎裂。为了挽救这件古老的遗迹，ARC-Nucléart 的专家使用了加固技术：他们用辐射固化树脂浸渍了船的木材，并将其暴露在电离辐射下，使木材硬化，防止船体分崩离析。

古罗马船 Arles-Rhône 3 在古代阿尔勒，法国部门博物馆。(照片：Mdaa/R.Benali/CD13)

原子能机构的作用是什么?

原子能机构的技术合作计划通过培训课程、技术会议、科学访问和研究金为各国提供利用核技术研究和保护文化遗产的能力建设。原子能机构帮助世界各地的专家提供必要的设备和设施，以进行研究和实施核干预。它还通过提供统一的方法和标准化程序来支持研究人员和保护人员。

原子能机构组织关于利用核科学技术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共享。

原子能机构促进有关文化遗产保护的学术、研究和公共信息材料的出版。2011 年出版的《用于文化遗产研究的核技术》全面描述了用于分析、修复和保存历史文物和艺术品的核技术和相关技术。2017 年的一本书《电离辐射用于有形文化遗产保护》提供了有关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多个国家的辐照处理物品的案例。

原子能机构指定文化遗产领域的合作中心。目前有四个这样的中心，包括法国的巴黎萨克莱大学和 ARC-Nucléart、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技术组织(ANSTO)。

原子能机构提供各种关于核技术应用的培训课程和在线学习机会，例如文化遗产和法医学的放射性碳测年、考古和艺术品表征的X 射线光谱技术以及工业辐照。