科技考古-文物的微观结构分析技术 20180328

型号为Axioskop 40的偏光显微镜
• 单折射性与双折射性：光线通过某一物质时，如光的性质和进路不因照 射方向而改变，这种物质在光学上就具有“各向同性”，又称单折射体， 如普通气体、液体以及非结晶性固体；若光线通过另一物质时，光的速度、 折射率、吸收性和偏振、振幅等因照射方向而有不同，这种物质在光学上 则具有“各向异性”，又称双折射体，如晶体、纤维等。
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图5 a）F13铜构件取样位置图；b）光学显微镜拍摄腐蚀后的金相组织照片；c）样 品背散射电子像；d）样品的SEM-EDAX分析区域：A区域为α相，元素质量百分含 量为75.63% Cu、16.85% Sn、0.16% C、3.26% O、0.59% As、3.51% Pb；B区 Cu2O颗粒，含88.86% Cu、0.13% C、8.99% O、2.03% Pb；C区域为Pb颗粒，含 0.27% C、5.62% O、0.92% Al、81.94% Pb、11.26% Cu。
a)
b)
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图4 a）F12铜构件取样位置图；b）光学显微镜拍摄腐蚀后的金相组织照片；c）样 品背散射电子像；d）样品的SEM-EDAX分析区域：A区域为α相，元素质量百分含 量为91.05% Cu、8.78% Sn、0.17% C；B区为（α+δ）共析体，含73.13% Cu、 0.13% C、26.73% Sn；C区域为Pb颗粒，含0.32% C、9.05% O、1.45% Al、 87.56% Pb、1.61% Cu；D区域为Cu2O颗粒，含90.81% Cu、9.04% O、0.15% C。
• 光的偏振现象：光波根据振动的特点，可分为自然光与偏振光。自然光 的振动特点是在垂直光波传导轴上具有许多振动面，各平面上振动的振幅 分布相同；自然光经过反射、折射、双折射及吸收等作用，可得到只在一 个方向上振动的光波，这种光波则称为“偏光”或“偏振光”。
偏光显微镜的成像原理与常规光学显 微镜基本相似，所不同的是在光路中插入 两个偏光镜。一个在载物台下方，称为下 偏光镜，用来产生偏光，故又称起偏镜； 另一个在载物台上方的镜筒内，称为上偏 光镜，它被用来检查偏光的存在，故又称 检偏镜。
主要用来检查肉眼不能清晰确认或观察的显微特征。
SMZ1500型体视显微镜
泰克体视显微镜
通常体视显微镜由物镜、 目镜、镜筒、载物台和一个 附加的照明灯等部分构成， 一些较好的显微镜还配有照 相系统，可获得被观察物体 的显微放大照片。
体视显微镜可通过旋转物 镜调节放大倍数，放大倍数 一般为几十到几百倍不等。
③ 样品要有良好的导电性，对于导电性差的样品如陶瓷、植物、编织品等， 在电子束作用下会产生电荷堆积，影响入射电子束斑和样品发射的二次电 子运动轨迹，使图像质量下降。因此这类试样在观察前要喷镀导电层进行 处理，通常采用二次电子发射系数较高的金银或碳膜做导电层，膜厚控制 在20nm左右。
扫描电子显微镜具有许多的优点：
切
镶
割
样
预
手
磨
磨
机
抛 光
浸
蚀
wenku.baidu.com金相显微镜观察
三维视频显微系统
法门寺出土丝织品观察
安康紫阳北五省会馆壁画颜料剖面 观察
新疆东天山北麓出土陶器剖面观察
古代金属表面锈蚀现状观察
新疆巴里坤东黑沟遗址出土石器微痕 观察
新疆巴里坤东黑沟遗址出土石磨盘淀 粉粒观察
古代字画观察
元青花瓷片3D效果
常用的扫描电子显 微镜的结构系统如图 所示，主要由五部分 组成，分别是电子光 学系统、扫描系统、 信号检测系统、显示 系统、电源和真空系 统。
样品的要求：
①样品必须是固体（块状、粉示状均可），样品表面要干净，如含水的样 品须先进脱水处理，并要防止样品因脱水而变形，表面污染的则要清洗。
② 样品的尺寸以能放入样品台上为宜，太大的要切割取样。
第三章 文物的微观结构分析技术
通过对文物微观结构的观察，能够为人们提供直观的结构信息，所以 文物的微观结构的观察和分析是文物研究中常用的、不可或缺的方法和手 段之一。
一、光学显微镜 1、体视显微镜 2、偏光显微镜 3、金相显微镜
二、电子显微镜 1、扫描电子显微镜 2、透射电子显微镜
一、光学显微镜 1、体视显微镜：
结论
金相分析显示构件主要为铸造组织形态，但有些采用了退 火工艺，形成了等轴晶，如F9。有些可能是经过退火处理，如 F10和F11，形成了很大颗粒的铅。还有一些为典型的铸造状态， 存在偏析组织，如F12。
扫描电镜能谱仪分析显示，建筑构件含铜量在73～83%之 间，含锡量在10～18%之间，含铅量为1～10%，为铅锡铜三元 合金 。
凡装有两个偏光镜，而且使偏振光振 动方向互相垂直的一对偏光镜称为正交偏 光镜。起偏镜的作用使入射光分解成振动 方向互相垂直的两条线偏振光，其中一条 被全反射，另一条则入射。
正交偏光镜间无样品或有各向同性 （立方晶体）的样品时，视域完全黑暗。 当有各向异性样品时，光波入射时发生双 折射，再通过偏振光的相互干涉获得结晶 物的衬度。
古代青铜泡3D效果图
二、电子显微镜
1、扫描电子显微镜
扫描电子显微镜的原理与成像：
由电子枪发射一定能量的电子，以其交叉斑作为电子源，经二级聚光 镜及物镜的缩小形成具有一定能量、一定束流强度和束斑直径的微细电子 束，在扫描线圈驱动下，于试样表面按一定时间、空间顺序作栅网式扫描。 聚焦电子束与试样相互作用，产生二次电子发射（以及其它物理信号）， 二次电子发射量随试样表面形貌而变化。二次电子信号被探测器收集转换 成电讯号，经视频放大后输入到显像管栅极，调制与入射电子束同步扫描 的显像管亮度，得到反映试样表面形貌的二次电子像。
案例介绍一
陕西凤翔豆腐村出土春秋时期铜构件金相结构的初步分析
实验编号 F9 F10 F11 F12 F13
考古学或博物馆编号 总0068 总0065 总0067 总0066 总0069
取样部位 器身侧 尖角 器身侧 器身侧 尖角
观察仪器
金相显微镜
扫描电子显微镜
a)
b)
c)
d)
图1 a）F9铜构件取样位置图；b）光学显微镜拍摄腐蚀后的金相组织照片；c）样 品背散射电子像；d）样品的SEM-EDAX分析区域：A区域为α相，元素质量百分含 量为90.39% Cu、8.49% Sn、0.17% C、0.96% O；B区域为Pb颗粒，含0.25% C、 0.33% O、96.15% Pb、3.27% Cu；C区域为Cu2O颗粒，含91.09% Cu、8.76% O、 0.15% C。
1.样品及观察仪器
SMZ1500型体视显微镜
DMLS/P偏光显微镜
2.观察结果
邢窑
X1 7x2.5 体式显微镜下
X3胎 20x10（正交光）
X1 40x10 （单偏光）
X1 40x10 （正交光）
定窑
D11 7x2.5 （体式显微镜下）
D13胎 40x10 （单偏光）
D13 40x10 （单偏光）
巩窑
GYXB1 7x2.5 （体式显微镜下）
GYXB4 4x10 （单偏光）
GYXB3化妆土 20x10（正交光）
GYXB3胎 20x10 （正交光）
3. 结 论
1、与邢窑和巩窑不同，定窑白瓷没有明显的钙长石析晶层。邢窑白瓷析 晶层中的晶体形态为板柱状，紧邻析晶层的釉层处发育有大量毛发状钙长 石丛生晶体，而巩窑白瓷析晶层中的晶体形态为短针状，仅有少量毛发状 的钙长石晶体延伸至釉层内。析晶层晶体形态的差异，暗示着制瓷原料， 特别是釉料配方和烧制工艺的不同。
案 例 介 绍
二
2、透射电子显微镜
高能电子与样品的作用
二次电子 Auger电子
背散射电子 特征X射线
Cherenkov辐射
吸收电子
弹性散射电子 非弹性散射电子
透射电子
透射电子显微镜原理和成像：
透射电子显微镜是以波长很短的电子束 做照明源，用电磁透镜聚焦成像的一种具有 高分辨、高放大倍数的电子光学仪器。
a)
b)
c)
d)
图3 a）F11铜构件取样位置图；b）光学显微镜拍摄腐蚀后的金相组织照片；c）样 品背散射电子像；d）样品的SEM-EDAX分析区域：A区域为α相，元素质量百分含 量为90.17% Cu、8.29% Sn、0.21% C、1.33% As；B区域为Pb颗粒，含0.51% C、 11.42% O、85.53% Pb、1.17% Cu、1.36% Al；C区域为CuS颗粒，含0.50% C、 20.12% S、79.38% Cu。
（a）试样的制备简单，可以观察试样表面形貌，或在其表面蒸镀或溅射上一 层导电薄膜，并不改变原有的形貌特征； （b）放大倍数在几十倍到几十万倍的范围内可连续调节，图像的清晰度高； （c）扫描电镜的景深长，视野大，成像的立体感强，可以直接观察到粗糙表 面上起伏不平的微细结构； （d）分辨力高。普通人眼为0.1-0.2mm，光学显微镜为0.1×10-3-0.2×10-3mm， 扫描电镜的分辨率可达到10nm以下； （e）由于扫描电镜的试样室空间大，可以较方便地配备拉伸、弯曲、加热等 试样座，便于对试样进行动态分析；可以与X能谱微区分析及电子衍射等仪 器结合，在观察微观形貌的同时，对其化学成分和晶体结构等进行综合分析。
扫描电子显微镜的应用
扫描电镜可以对样品进行图像观察和晶体结构分析。扫描电镜可以研 究古陶瓷的表面形状、晶粒大小及相互结合的状况以及内气孔的形状分布， 玻璃化程度并进而推断烧结温度；研究金属文物的微观结构和金属文物腐 蚀的原因；还可以为古代植物、石器工具、兽骨头和牙齿、古代衣物提供 详细的立体图像等等。但实际工作中，考古工作者常常将之与其他方法相 结合，互相验证，一般扫描电镜与电子微探针共用，或者与X射线衍射， 原子吸收，质谱等手段配合。
光学显微镜的原理
青铜器表面的纹饰
青铜表面的白色晶体
青铜器表面的红、蓝、绿锈
伪锈绿漆
耀州窑青瓷釉面的气泡
宋代钧窑正面底面过渡的显微照片
2、偏光显微镜：
偏光显微镜是依据波动光学的原理，观察和精密测定标本细节，或透明 物体改变光束的物理参数，以此判别物质结构的一种显微镜。
偏光显微法是通过分辨晶体的颜色、形状、大小、折射率和消光性等光 学性质来鉴别颜料的。
3、金相显微镜：
金相显微镜是研究金属显微组织的最基本的仪器之一 。金相分析始 于20世纪60年代，它是指通过对金属文物显微组织的分析，来研究金属 文物中合金生成，冶炼，浇铸以及加工工艺等信息。
金相显微镜的基 本原理与偏光显微 镜相似，所不同的 是金相显微镜增加 了入射光附件，可 通过垂直的入射光 束照射到样品表面， 观察样品的微观形 态。
a)
b)
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图2 a）F10铜构件取样位置图；b）光学显微镜拍摄腐蚀后的金相组织照片；c）样 品背散射电子像；d）样品的SEM-EDAX分析区域：A区域为α相，元素质量百分含量 为94.33% Cu、5.51% Sn、0.16% C；B区域为Pb颗粒，含0.30% C、9.87% O、 89.83% Pb。
样品偏光镜片的制备和观察：
将待测样品清洗、干燥后，选择合适截面，用金刚石刀片切割 成厚约5mm的薄片，粘贴到玻璃载片上，再经粗细不同的磨料抛 光，制成厚约0.03mm的光薄片，置于偏光显微镜下进行观察，以 识别样品的矿物组成。
单偏光状态下的古陶器岩相照片
案
例
我国古代北方白瓷的微观结构研究
介 绍
青铜、铁器、金银等合金文物因制作加工工艺不同，其金 相结构也不同。
金相分析利用此特征对金属文物进行切片，在金相显微镜 下，样品的内部组织如晶粒、晶粒边界裂缝成分析出等现象向 考古学家提供样品在制作时的冷热处理信息，将样品的金相与 已知的铸造金相比较来判断样品是铸造还是铸件经加工而成。
金相样品的分析步骤：
2、唐代早期的巩窑白瓷，因胎色较深或胎料粗糙，均施有一层化妆土。
3、定窑白瓷胎内发育有大量莫来石针状晶体，其胎质细腻、致密，未熔 晶粒甚少，而邢窑和巩窑白瓷胎内皆有浅黄色残留云母矿物。
4、邢窑、定窑和巩窑白瓷的色度存在细微差异，这些差异与瓷釉、过渡 层的显微结构以及瓷胎或化妆土的颜色也有一定联系。白瓷外观颜色是釉 色与胎或化妆土色、析晶层漫反射作用的叠加结果。
透射电子显微镜由电子光学系统，真空 系统和供电控制系统三大部分组成。透射电 子显微镜中，物镜、中间镜，透镜是以积木 方式成像，即上一透镜的像就是下一透镜成 像时的物，也就是说，上一透镜的像平面就 是下一透镜的物平面，这样才能保证经过连 续放大的最终像是一个清晰的像。