中國是一個擁有五千年燦爛文明的東方大國，也是目前世界上考古發(fā)掘成果最為豐碩的國家之一。在我國發(fā)掘出的文物包羅萬象，應(yīng)有盡有。我們后世子孫面對祖先所創(chuàng)造的燦爛文明，在產(chǎn)生無限敬仰與自豪的同時，也會從內(nèi)心中萌發(fā)探尋祖先們生產(chǎn)生活狀況的沖動。祖先們?yōu)槭裁茨軌蛞詷O其簡單的工具創(chuàng)造出如此豐富多彩的文明?那些“國寶器物”的生產(chǎn)工藝又是怎么樣的呢?要回答這些問題，單單運用傳統(tǒng)考古學(xué)和歷史學(xué)的方法顯然是不夠的。我們還要運用自然科學(xué)的方法，通過現(xiàn)代儀器分析的手段去探尋這些埋藏在文物深處的古代秘密。

現(xiàn)代儀器分析方法在科技考古中的運用主要分為兩個方面:第一方面是物質(zhì)結(jié)構(gòu)分析，主要有質(zhì)譜分析、原子吸收和發(fā)射光譜分析、核磁共振分析、紅外和紫外吸收光譜分析等等。其中質(zhì)譜分析在科技考古中的運用最為廣泛，這得益于此方法能準(zhǔn)確高效地測定物質(zhì)結(jié)構(gòu)，并且能進(jìn)行同位素分析。第二方面是顯微分析，用于觀測樣品在一定微觀尺度下的物質(zhì)排列，以及不同物質(zhì)在同一樣品中的分散狀況。主要使用電子掃描顯微鏡等各種微觀尺度不同的顯微鏡，通過這些顯微鏡可以觀察文物表面及內(nèi)部的物質(zhì)分布結(jié)構(gòu)狀況和一些有標(biāo)志意義的微觀痕跡。

下面，筆者將簡單介紹兩種物質(zhì)結(jié)構(gòu)分析儀器及它們的工作原理。

質(zhì)譜分析

1.基本原理

質(zhì)譜分析法是通過對被測樣品離子的質(zhì)荷比的測定來進(jìn)行分析的一種分析方法。待測化合物分子吸收能量后在離子源的電離室中產(chǎn)生電離，生成分子離子，分子離子由于具有較高的能量，會進(jìn)一步按化合物自身特有的碎裂規(guī)律分裂，生成一系列確定組成的碎片離子，將所有不同質(zhì)量的離子和各種離子的數(shù)量按質(zhì)荷比記錄下來，就得到一張質(zhì)譜圖。由于在相同實驗條件下每種化合物都有其確定的質(zhì)譜圖，因此將所得質(zhì)譜圖與已知質(zhì)譜圖對照，就可確定待測化合物。

2.儀器——質(zhì)譜儀(見圖1)

利用運動離子在電場和磁場中偏轉(zhuǎn)原理設(shè)計的儀器稱為質(zhì)譜計或質(zhì)譜儀。前者用電子學(xué)方法檢測離子，而后者將離子聚焦在照相底板上進(jìn)行檢測。一般的質(zhì)譜計由以下幾個部分組成:(見圖2)

高真空系統(tǒng)高真空環(huán)境是質(zhì)譜計正常工作的前提條件。高真空系統(tǒng)是用來取得所需真空度的閥泵系統(tǒng)，一般由前級泵(常用機械泵)和油擴(kuò)散泵或分子渦輪泵等組成。

樣品注入系統(tǒng)樣品注入系統(tǒng)擁有直接注入、氣相色譜、液相色譜、氣體擴(kuò)散四種方法。直接注入是指固體樣品通過直接進(jìn)樣桿將樣品注入，加熱使固體樣品轉(zhuǎn)為氣體分子。對不純的樣品可經(jīng)氣相或液相色譜預(yù)先分離后，通過接口引入。液相色譜—質(zhì)譜接口有傳動帶接口、直接液體接口和熱噴霧接口。熱噴霧接口是最新提出的一種軟電離方法，能適用于高極性反相溶劑和低揮發(fā)性的樣品。樣品由極性緩沖溶液以每分鐘1～2毫升流速通過一毛細(xì)管?？刂泼?xì)管溫度，使溶液接近出口處時，蒸發(fā)成細(xì)小的噴射流噴出。微小液滴還保留有殘余的正負(fù)電荷，并與待測物形成帶有電解質(zhì)或溶劑特征的加合離子而進(jìn)入質(zhì)譜儀。

離子源使樣品電離產(chǎn)生帶電粒子(離子)束的裝置(見圖3)。應(yīng)用最廣的電離方法是電子轟擊法，其他還有化學(xué)電離、光致電離、場致電離、激光電離、火花電離、表面電離、X 射線電離、場解吸電離和快原子轟擊電離等。其中場解吸和快原子轟擊特別適合測定揮發(fā)性小和對熱不穩(wěn)定的化合物。

質(zhì)量分析器將離子束按質(zhì)荷比進(jìn)行分離的裝置。它的種類有單聚焦、雙聚焦、四極矩、飛行時間和擺線等。

收集器經(jīng)過分析器分離的同質(zhì)量離子可用照相底板、法拉第筒或電子倍增器收集檢測。隨著質(zhì)譜儀的分辨率和靈敏度等性能的大大提高，現(xiàn)在只需要微克級甚至納克級的樣品就能得到一張較滿意的質(zhì)譜圖。因此對于微量不純的化合物，可以利用氣相色譜或液相色譜(對極性大的化合物)將化合物分離成單一組分，導(dǎo)入質(zhì)譜計，錄下質(zhì)譜圖，此時質(zhì)譜計的作用如同一個檢測器。

原子發(fā)射光譜分析

1.基本原理

原子發(fā)射光譜分析使待測元素發(fā)射出特征波長的輻射，經(jīng)過分光，測量其強度而進(jìn)行定性、定量分析的方法。在高頻功率、進(jìn)樣方式等實驗條件固定時，樣品發(fā)射出的特征輻射強度與樣品中該元素的濃度(C)成正比。據(jù)此，通過測量標(biāo)準(zhǔn)溶液及未知溶液的特征輻射強度，又已知標(biāo)準(zhǔn)溶液濃度，可作標(biāo)準(zhǔn)曲線，求得未知液中待測元素濃度。

2.儀器—等離子體發(fā)射光譜儀(見圖4)

(1)等離子體發(fā)射光譜儀的等離子光源

等離子體噴焰作為發(fā)射光譜的光源主要有以下三種形式:

①直流等離子體噴焰(direct currut plasmajet，DCP): 弧焰溫度高 8000-10000K，穩(wěn)定性好，精密度接近ICP，裝置簡單，運行成本低。

②電感耦合等離子體(inductively coupled plasma， ICP):ICP的性能優(yōu)越，已成為最主要的應(yīng)用方式。

③微波感生等離子體(microwave induced plasma， MIP):溫度5000-6000K，激發(fā)能量高，可激發(fā)許多很難激發(fā)的非金屬元素如C、N、F、Br、Cl、C、H、O 等，可用于有機物成分分析，但其測定金屬元素的靈敏度不如DCP和ICP。

(2)等離子體發(fā)射光譜儀的結(jié)構(gòu)

ICP是由高頻發(fā)生器和等離子體炬管組成(見圖5)。

① 晶體控制高頻發(fā)生器。

石英晶體作為振源，經(jīng)電壓和功率放大，產(chǎn)生具有一定頻率和功率的高頻信號，用來產(chǎn)生和維持等離子體放電。石英晶體固有振蕩頻率為6.78MHz，二次倍頻后為27.120MHz，電壓和功率放大后，功率為1-2kW。

② 炬管與霧化器。

三層同心石英玻璃炬管置于高頻感應(yīng)線圈中，等離子體工作氣體從管內(nèi)通過，試樣在霧化器中霧化后，由中心管進(jìn)入火焰;外層Ar從切線方向進(jìn)入，保護(hù)石英管不被燒熔，中層Ar用來點燃等離子體。

(3)原理

當(dāng)高頻發(fā)生器接通電源后，高頻電流I通過感應(yīng)線圈產(chǎn)生交變磁場。開始時，管內(nèi)為Ar氣，不導(dǎo)電，需要用高壓電火花觸發(fā)，使氣體電離后，在高頻交流電場的作用下，帶電粒子高速運動、碰撞，形成“雪崩”式放電，產(chǎn)生等離子體氣流。在垂直于磁場方向?qū)a(chǎn)生感應(yīng)電流(渦電流)，其電阻很小，電流很大(數(shù)百安)，產(chǎn)生高溫。再將氣體加熱、電離，在管口形成穩(wěn)定的等離子體焰炬。

3.等離子體發(fā)射光譜儀的類型

(1)光電直讀等離子體發(fā)射光譜儀

光電直讀是利用光電法直接獲得光譜線的強度。光電直讀等離子體發(fā)射光譜儀有兩種類型:多道固定狹縫式和單道掃描式。多道固定狹縫式是安裝多個狹縫和光電倍增管(多達(dá)70個)，同時測定多個元素的譜線，一個出射狹縫和一個光電倍增管，可接受一條譜線，構(gòu)成一個測量通道;單道掃描式則是轉(zhuǎn)動光柵進(jìn)行掃描，在不同時間檢測不同譜線。

(2)全譜直讀等離子體光譜儀(見圖6)

采用CID陣列檢測器，可同時檢測165～800nm波長范圍內(nèi)出現(xiàn)的全部譜線。

質(zhì)譜分析與原子發(fā)射光譜分析在科技考古中的應(yīng)用

青銅時代是中國歷史上具有非凡意義的時代，燦爛的中華文明正是在這一時代逐漸形成并走向輝煌的。

青銅器是最能代表青銅時代文化特征的文化遺存，運用現(xiàn)代儀器分析方法對已發(fā)掘出土的青銅器進(jìn)行深入的研究分析，這是進(jìn)一步了解和認(rèn)識青銅時代中國社會的生產(chǎn)、生活、政治以及科技發(fā)展?fàn)顩r的必然途徑。

青銅，是以銅金屬為主要成分，并包含有錫、鉛等其他金屬成分以及多種微量元素成分的一類合金材料。它熔點比銅金屬低很多，但硬度卻很大，所以比較容易融化和鑄造成形。不同地區(qū)出土的青銅器在成分方面差別很大，有的是銅錫合金，有的是銅鉛合金，有的則是銅錫鉛三者皆有的合金，在微量元素的含量方面也有比較大的差別。這反映出不同地區(qū)或是不同歷史時期，青銅在合金成分、生產(chǎn)工藝和礦料選擇等方面具有不同的特點。對于青銅時代，從自然資源的開采、運輸，到冶煉青銅時各種原料成分比例的搭配(及配方)，再到青銅器的鑄造工藝，以及國家對青銅業(yè)的管理方式，都是考古工作者和愛好者們非常關(guān)心的問題，也是目前考古學(xué)界研究和探討較多的領(lǐng)域。

目前，研究青銅器的合金成分，主要運用的儀器分析方法就是上面所說的電感耦合等離子體發(fā)射光譜法。即通過檢測青銅樣品中各種成分元素發(fā)射光譜的不同特征將它們分別檢測出來，并通過這些特征光譜的強度來計算出樣品所含有的對應(yīng)元素的濃度，這樣就可以得到青銅樣品合金成分的數(shù)據(jù)。

在青銅所含有的諸多成分中，有一種成分具有非常特殊的意義，它就是鉛。自然界中鉛以204Pb、206Pb、207Pb、208Pb四種同位素的形式而存在，相對豐度分別為1.48%、23.6%、22.6%、52.3%，除204Pb為非放射成因外，其他分別由238U、235U、232Th衰變產(chǎn)生，在研究鉛同位素豐度變化時以204Pb作為比較基礎(chǔ)，測定其他各同位素與204Pb的比值。與鉛同位素相關(guān)的科學(xué)研究已經(jīng)開展得十分廣泛，在地質(zhì)科學(xué)中用于U-Th-Pb衰變系列的測年及普通含鉛礦物(基本不含U、Th)鉛同位素組成示蹤成巖、成礦物質(zhì)來源，劃分大地構(gòu)造單元等方面。

鉛同位素對于研究青銅文明也具有非常重要的意義，因為不同地區(qū)出產(chǎn)的鉛礦所處的地質(zhì)環(huán)境不同，所以鉛的同位素比例會出現(xiàn)差別，通過對青銅樣品中的鉛進(jìn)行同位素分析，就可以推斷當(dāng)時生產(chǎn)青銅所用的鉛取自何地，并可以作為研究區(qū)域資源開發(fā)史的重要資料，也有可能揭示這種資源跨區(qū)域流通的歷史事實。

鉛同位素分析目前所用的方法就是質(zhì)譜分析，其原理就是利用鉛的集中同位素在相對原子質(zhì)量上的差別。這些不同的相對原子質(zhì)量的鉛原子在帶有相同的電荷后，在同一磁場環(huán)境下做偏轉(zhuǎn)運動(見圖7)，根據(jù)電磁學(xué)的基本理論就可以知道，這些不同荷質(zhì)比的粒子在磁場中的運動性質(zhì)是不一樣的。質(zhì)譜分析儀會記錄下這些粒子的運動數(shù)據(jù)，并加以統(tǒng)計區(qū)分，就得到樣品鉛同位素比例的數(shù)據(jù)。