西北大学科技考古学概论课件_文物组成的成份、结构分析与制作工艺研究
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XRD基本原理：
X射衍射（XRD）又称X射线物相分析法，在X射线对样 品的辐射下，X射线通过晶体会引发各种元素X射线的发生， 各散乱线间相互干涉，发生衍射现象。通过对衍射现象进行 分析，就可以获得有关构成物质的原子的排列、化合物的形 态、结晶物质的物相的信息资料 ．
XRD的应用
金属、矿石、矿物颜料、陶瓷（胎土、釉层、）、壁画地仗层、腐 蚀产物、风化产物等许多无机质的文物基体材料及蜕变产物。
原子吸收光谱的应用
对象：用于金属、陶瓷等无机质样品和含有 无机盐的有机物、骨质品。
（二）原子发射光谱
基本原理： 发射光谱分析法就是研究原子由激发态回到基态过程中发射出
的光的性质而建立起来的分析方法。原子发射的光谱线的波长取决 于跃迁前后两个能级间的能量差，不同元素的原子发射出的光谱线 是不同的，每一种元素都有自己的特征光谱。根据原子发射出的光 谱线的波长或频率，就可以知道是何种元素发射的，这就是发射光 谱定性分析的依据。而这些特征线的强度或谱线出现的数目与试样 中某元素的含量有一定的关系，根据这种关系就可进行定量分析。
X射线荧光分析法的应用
对象：由于X射线穿透能力弱，因此只能对物体表面20 微米进行浅层分析，如样品陶瓷元素含量的测定，青铜器锈 层元素成分的测定等。
二、文物组成的结构分析
（一）文物的物相分析 1.X射线衍射（X-Ray Diffraction，XRD）
晶体几何学知识
g-Fe
c a
zx y
b
a-Fe
ICP的特点：
其优点是：灵敏度非常高，可达0.1-10ppm、误差小（可控制 在1-2%范围内）、分析速度快，同时可对多元素检测，无需制备样 品，属近于或无损分析；其操作简单，等离子体为激发光源，经过蒸 发、激发作用于样品上，通过计算机、摄谱仪等自动程序的处理就可 记录下样品的光谱行征并进行定量定性分析，确定元素含量。
（一）原子吸收光谱
基本原理：
原子吸收光谱（AAS），又称 原子吸收分光光度法，任何一种元 素的原子都有一系列确定的能量状 态，每一个能量状态称为一个能级。 原子吸收是气态自由原子对同种原 子辐射的特征光谱线产生的自吸现 象。原子吸收光谱分析是基于从光 源辐射出待测元素的特征光谱线通 过样品的蒸气时，被蒸气中待测元 素的基态原子所吸收，由辐射光谱 线强度减弱的程度，来求出样品中 待测元素的含量。
原子吸收光谱法的特点：
优点：它是有灵敏度高（可达10-13-10-19g），更适宜做痕量分 析；选择性好，抗干扰能力强， 重现性好；测定元素种类多，凡是 能够有效的转化成自由基态原子并能获得共振辐射光源的元素，都 可能应用原子吸收光谱法来直接测定；设备简单，所需样品量少。
缺点：测定高温元素的灵敏度尚不令人满意；测定每个元素都需 要特定的元素灯；标准曲线的线性范围窄；虽然相对于其他光谱分 析法来说干扰小，但样品基体复杂时，可存在干扰，有时还比较严 重，需要在测试中设法消除；只适用于成分已知的样品，对于未知 成分的样品，只能分析主观要求分析的元素。
第二章 文物形态结构与组成分析研究
第四节 文物组成的成份、结构分析及制作工艺研究
一、文物组成成分分析 （一）原子吸收光谱 （二）原子发射光谱 （三）X射线荧光光谱
二、文物组成的结构分析 （一）文物的物相分析 （二）红外吸收光谱分析 （三）拉曼光谱
三、文物的制作工艺研究 （一）穆斯堡尔谱学 （二）核磁共振 （三）热分析 （四）离子束分析
X射线荧光分析法的优点和不足：
优点：不破坏分析样品；分析元素多；分析的浓度范围宽；X 射线荧光谱线简单，便于分析。
不足：使用该法时，要考虑文物在埋藏过程中受到各种侵蚀 化学组成发生了变化，在检测时既要进行表面分析，也要对内部保 存的部位分析；由于X射线荧光光谱分析是一种相对的比较分析， 难以作绝对分析，定量分析需要标样；对于超轻元素，目前还不能 进行分析；另外，X荧光谱仪价格昂贵、构造复杂，使用维修都有 一定的难度，故限制了普遍使用。
图X2.35 古陶器样品的X射线衍射图谱
2.岩相分析
岩相分析是利用偏光显微镜对陶瓷的矿物成分进行鉴 定的一种方法，来源于岩石和矿物学研究领域。
矿物是在各种地质作用中形成的天然单质或化合物。由 于具有不同的化学成分和晶体构造，每种矿物都有其固有的 物理性质，比如颜色、条痕、光泽、透明度、硬度、解理、 断口等。利用偏光显微镜对矿物进行岩相分析，除利用矿物 的某些物理性质如光泽、透明度、解理等作为鉴定标准外， 主要利用矿物的光学性质。这些都可作为矿物识别和鉴定的 标准。
一、文物组成成分分析
成分分析是指对样品中所含元素种类及含量的一种分 析分析。
根据样品中元素含量的多少一般可分为三类： 一是常量元素分析，即主要元素分析，一般其含量大于或 等于2%。可以人为控制，是制作时人们有意加入的； 第二种是微量元素分析，元素含量一般介于0.1-2%，不受 人工配方控制，反映器物的原料产地特征（如瓷器的胎、 釉的本质特征）； 第三类指痕量元素分析，其含量低于0.1%，通常用ppm来 表示含量单位，这些元素古代人无法控制，一般由元素的 产地所决定，因而痕量元素多用于文物起源方面的研究。
（三）X射线荧光光谱
基本原理：
外层电子向内层电子跳跃过程中必 然释放出能量，这种能量以光的形式表 现出来。这种光称为荧光，又因所发出 的光其相应的波长是在X光波段，所以 又称X射线荧光。X射线荧光的波长取决 于物质中元素的种类，对于每一元素， 其X射线荧光都具有相对应的特征能量 或特征波长。因而，只要测定X射线的 能量或波长就可以判断出原子的种类和 元素的组成，根据该波长荧光X射线的 强度就能定量测定所属元素的含量。
但是ICP也存在一些不足之处：由于发射光谱分析是一种相对的 分析法，必须要制备标样，标样没有状态限制，但其元素含量、组织 结构与测样要一致；雾化进样装置效率低；雾化器易堵塞，造成工作 不稳定；氩气消耗量大，维持费用高；某些元素的灵敏度还不够高。
原子发射光谱的应用
对象：主要用于金属、陶瓷、玻璃、铀、无机颜料、 石材等文物样品的成分分析。
XRD基本原理：
X射衍射（XRD）又称X射线物相分析法，在X射线对样 品的辐射下，X射线通过晶体会引发各种元素X射线的发生， 各散乱线间相互干涉，发生衍射现象。通过对衍射现象进行 分析，就可以获得有关构成物质的原子的排列、化合物的形 态、结晶物质的物相的信息资料 ．
XRD的应用
金属、矿石、矿物颜料、陶瓷（胎土、釉层、）、壁画地仗层、腐 蚀产物、风化产物等许多无机质的文物基体材料及蜕变产物。
原子吸收光谱的应用
对象：用于金属、陶瓷等无机质样品和含有 无机盐的有机物、骨质品。
（二）原子发射光谱
基本原理： 发射光谱分析法就是研究原子由激发态回到基态过程中发射出
的光的性质而建立起来的分析方法。原子发射的光谱线的波长取决 于跃迁前后两个能级间的能量差，不同元素的原子发射出的光谱线 是不同的，每一种元素都有自己的特征光谱。根据原子发射出的光 谱线的波长或频率，就可以知道是何种元素发射的，这就是发射光 谱定性分析的依据。而这些特征线的强度或谱线出现的数目与试样 中某元素的含量有一定的关系，根据这种关系就可进行定量分析。
X射线荧光分析法的应用
对象：由于X射线穿透能力弱，因此只能对物体表面20 微米进行浅层分析，如样品陶瓷元素含量的测定，青铜器锈 层元素成分的测定等。
二、文物组成的结构分析
（一）文物的物相分析 1.X射线衍射（X-Ray Diffraction，XRD）
晶体几何学知识
g-Fe
c a
zx y
b
a-Fe
ICP的特点：
其优点是：灵敏度非常高，可达0.1-10ppm、误差小（可控制 在1-2%范围内）、分析速度快，同时可对多元素检测，无需制备样 品，属近于或无损分析；其操作简单，等离子体为激发光源，经过蒸 发、激发作用于样品上，通过计算机、摄谱仪等自动程序的处理就可 记录下样品的光谱行征并进行定量定性分析，确定元素含量。
（一）原子吸收光谱
基本原理：
原子吸收光谱（AAS），又称 原子吸收分光光度法，任何一种元 素的原子都有一系列确定的能量状 态，每一个能量状态称为一个能级。 原子吸收是气态自由原子对同种原 子辐射的特征光谱线产生的自吸现 象。原子吸收光谱分析是基于从光 源辐射出待测元素的特征光谱线通 过样品的蒸气时，被蒸气中待测元 素的基态原子所吸收，由辐射光谱 线强度减弱的程度，来求出样品中 待测元素的含量。
原子吸收光谱法的特点：
优点：它是有灵敏度高（可达10-13-10-19g），更适宜做痕量分 析；选择性好，抗干扰能力强， 重现性好；测定元素种类多，凡是 能够有效的转化成自由基态原子并能获得共振辐射光源的元素，都 可能应用原子吸收光谱法来直接测定；设备简单，所需样品量少。
缺点：测定高温元素的灵敏度尚不令人满意；测定每个元素都需 要特定的元素灯；标准曲线的线性范围窄；虽然相对于其他光谱分 析法来说干扰小，但样品基体复杂时，可存在干扰，有时还比较严 重，需要在测试中设法消除；只适用于成分已知的样品，对于未知 成分的样品，只能分析主观要求分析的元素。
第二章 文物形态结构与组成分析研究
第四节 文物组成的成份、结构分析及制作工艺研究
一、文物组成成分分析 （一）原子吸收光谱 （二）原子发射光谱 （三）X射线荧光光谱
二、文物组成的结构分析 （一）文物的物相分析 （二）红外吸收光谱分析 （三）拉曼光谱
三、文物的制作工艺研究 （一）穆斯堡尔谱学 （二）核磁共振 （三）热分析 （四）离子束分析
X射线荧光分析法的优点和不足：
优点：不破坏分析样品；分析元素多；分析的浓度范围宽；X 射线荧光谱线简单，便于分析。
不足：使用该法时，要考虑文物在埋藏过程中受到各种侵蚀 化学组成发生了变化，在检测时既要进行表面分析，也要对内部保 存的部位分析；由于X射线荧光光谱分析是一种相对的比较分析， 难以作绝对分析，定量分析需要标样；对于超轻元素，目前还不能 进行分析；另外，X荧光谱仪价格昂贵、构造复杂，使用维修都有 一定的难度，故限制了普遍使用。
图X2.35 古陶器样品的X射线衍射图谱
2.岩相分析
岩相分析是利用偏光显微镜对陶瓷的矿物成分进行鉴 定的一种方法，来源于岩石和矿物学研究领域。
矿物是在各种地质作用中形成的天然单质或化合物。由 于具有不同的化学成分和晶体构造，每种矿物都有其固有的 物理性质，比如颜色、条痕、光泽、透明度、硬度、解理、 断口等。利用偏光显微镜对矿物进行岩相分析，除利用矿物 的某些物理性质如光泽、透明度、解理等作为鉴定标准外， 主要利用矿物的光学性质。这些都可作为矿物识别和鉴定的 标准。
一、文物组成成分分析
成分分析是指对样品中所含元素种类及含量的一种分 析分析。
根据样品中元素含量的多少一般可分为三类： 一是常量元素分析，即主要元素分析，一般其含量大于或 等于2%。可以人为控制，是制作时人们有意加入的； 第二种是微量元素分析，元素含量一般介于0.1-2%，不受 人工配方控制，反映器物的原料产地特征（如瓷器的胎、 釉的本质特征）； 第三类指痕量元素分析，其含量低于0.1%，通常用ppm来 表示含量单位，这些元素古代人无法控制，一般由元素的 产地所决定，因而痕量元素多用于文物起源方面的研究。
（三）X射线荧光光谱
基本原理：
外层电子向内层电子跳跃过程中必 然释放出能量，这种能量以光的形式表 现出来。这种光称为荧光，又因所发出 的光其相应的波长是在X光波段，所以 又称X射线荧光。X射线荧光的波长取决 于物质中元素的种类，对于每一元素， 其X射线荧光都具有相对应的特征能量 或特征波长。因而，只要测定X射线的 能量或波长就可以判断出原子的种类和 元素的组成，根据该波长荧光X射线的 强度就能定量测定所属元素的含量。
但是ICP也存在一些不足之处：由于发射光谱分析是一种相对的 分析法，必须要制备标样，标样没有状态限制，但其元素含量、组织 结构与测样要一致；雾化进样装置效率低；雾化器易堵塞，造成工作 不稳定；氩气消耗量大，维持费用高；某些元素的灵敏度还不够高。
原子发射光谱的应用
对象：主要用于金属、陶瓷、玻璃、铀、无机颜料、 石材等文物样品的成分分析。