【考古文博公開課】科技考古學概論 西北大學（已附整合版配套課件） P17 - [9.1.3]--第三節釋光斷代

前面我們講過考古測念當中的數目年輪測念法和熱時光測念方法 數目年輪測念方法說起來比較簡單 它利用生物學的規律 根據數目的年輪的數量來進行測念 首先根據同一樹種 它建立一個主年輪的序列特徵 建立一個標準曲線 然後我們在未知遺址當中 年代遺址當中 出現一個數目的同一樹種的年輪 來建立它未知年代的變化曲線 根據未知年代的年輪變化曲線和標準的對比 我們就知道數目年輪和標準序列哪一段是重合的 知道數目的死亡年代 這樣和遺址的埋藏年代有這樣的一個對應關係 數目年輪的方法相對比較精確一些 因為它是一年生長一輪 一般來說一年生長一輪 所以它是比較精確的 但是它有很多的困難 就對這個合適的數目年輪 或者合適的數目年輪 還有這個標準曲線的建立也都比較困難 所以說它的最大貢獻 是對我們看十字方法的年代校正 是非常有幫助的 碳十字方法是在我們講的考古年代當中 測定的方法當中 作為自然科學方法比較成熟的一個方法 用的比較多的一種方法 它就是根據大氣中的宇宙視線和大氣中的碳十字發生作用 形成一個碳十字 碳十字對氧氣形成氨化碳 氨化碳進入植物體內 然後通過植物體進入動物體內 然後動物植物體死亡以後 埋入地下進入土壤 然後進入水域 然後再從水進入到大氣當中 形成這樣一個循環 動物體或者植物體 就是含碳物質死亡以後 它埋入地下以後 它停止了和外界的大氣的一種交換 它就按照自身的涉變規律來進行涉變 所以說我只要知道 含碳物質 它的最初的碳濕濃度和最後的碳濕濃度 根據它的涉變規律 我就可以判斷出它埋藏的年代 就是這個遺址的年代 碳濕方法 尤其是沒有文字記載 或者出現陶器 這種地層不太清楚的 出現陶器無法進行對比的時候 用這種方法可能更好一些 碳濕方法能夠提供一些比較精確的年代數據 那麼除了長期的這兩種測點方法以外 還有咱們今天要講的 濕光測點方法 在濕光測點方法當中 主要有兩種 一個是熱濕光 一個是光濕光 熱濕光和光濕光的基本原理比較相似 我重點講一下熱濕光 後面是光濕光 我提一下 熱濕光測點方法 它主要是利用絕緣結晶固體的熱濕光現象 來進行斷代的技術 它的測量對象主要是一些陶器 瓷器 還有火燒黏土的一些標本 主要是對火加熱過的一些標本 它的測點範圍和誤差 熱濕光表現在由於儀器的靈敏度和石英砂的存儲能力而定 目前它可以測定幾十萬年以內的標本年代 它的測量範圍還是比較大的 但是它的誤差還是比較大 目前大約是11% 理想誤差也達到了5% 那麼熱濕光測點 它是由美國地質學家肯尼迪 在1960年最早發明的 然後用來測定古代希臘陶器的一個年代 而在我國 是在1979年上海博物館發表了我國第一批的熱濕光的年代數據 那麼接下來我們具體看一下熱濕光測點法的一個原理 那什麼是熱濕光現象呢 早在17世紀就有人觀察到濕光現象 1952年 像斯托克還發表了一篇關於濕光的文章 那麼濕光 它是一個專門用於描述促進能量吸收 並緊接著釋放較低能量的一個釋放現象 經過多年的研究 人們對濕光的認識也越來越多了 那麼根據輸入能量的類型 那麼濕光類型 咱們有一種叫熱濕光 那麼熱濕光是什麼呢 就是某些物體在一定的情況下加熱 在紅外 在紅熱 就出現這個物體 變成紅熱之前 會發出微弱的可見光 那麼這可見光可以用光明儀測量出來 等到冷卻以後 再加熱 又不會重現 這種現象 一般不會出在 一般會出現在不導電的物體物質當中 那麼熱濕光是怎麼來的呢 熱濕光能量怎麼來的呢 那麼熱濕光是一種物理現象 它是經體受到輻射作用以後 集聚起來的能量 形成的 你說什麼意思呢 就絕緣結晶固體受到放熱性照射 發生電力 形成電子和空穴 那麼這個形成電子空穴以後 這裡面的能量 就會被金箇缺陷或者陷阱所捕獲 因此它會儲藏起一部分輻射 並長期保存起來 那這保存起來的 這能量它不減少 它不斷地吸收 當加熱時 那麼電子和空穴當中 可以從陷阱當中釋放出來 重新的復合 並且以光的形式 釋放出了存儲的能量 像我古代被加熱過的物體 你比如陶器 那麼陶器經常是由於黏土製成 一般都含有微量的鈾 土 鉀 這一類的放射性的物質 因為黏土內部 還有一些結晶性的固體顆粒 比如說石英 長石 雲母 磷灰石等等 它們每時每刻都受到 這種放射性物質的一種輻射作用 那麼輻射的作用 在黏土當中的結晶顆粒以後 就像我們前面所說的 結晶固體顆粒 比如石英顆粒 它經過放射性物質照射以後 它裡面就會形成電子和空穴 那麼電子空穴 就是說能量變低了 那外來的輻射能量 就會被晶格缺陷 或這個陷阱捕獲 不斷的進行吸收 不斷的吸收 那隨著時間的 埋藏時間的延長 能量不斷被集中在這裡面 那麼高溫的時候 陶器結晶固體當中 儲存能量就會被釋放完了 然後重新積聚能量 那麼積累的能量隨時間增加 放射性越強 熱蝕光就越多 比如說熱蝕光的量 與所受的放射性的總積量成正比 比如說陶土在被取來以後 在加熱之前 它裡面含有原來的一些存儲能量 但是做成陶器以後 陶器被燒 那麼陶器當中的固體顆粒 它裡面積聚的能量就釋放完了 那釋放完了以後 那麼在使用的過程當中 在使用的過程當中 或者埋藏的過程當中 你只要不被再燒 它這個能量一直會被重新積累 那麼積累的能量 隨著時間不斷的增加 不斷增加 我們看一下它是怎麼具體的存儲能量 我們知道原子核外 它是分層排布的 琉璃機外分成不同的這種電子層結構 同時電子在每一層 它按照一定的軌道來環繞原子核 不斷的進行運轉 每一種電子軌道 它和容納的電子數目也是不一樣的 那麼原子外的電子在排列的時候 它遵循了能量最低原則 半飽和或者全飽和的原則 同軌道電子自旋方向相反的原則 這些內容在咱們講到高中化學知識的時候 化學課程當中我們都接觸過 那在剛才講的 就是這個受熱鍋的 比如說陶器當中的陶土 它裡面這個能量的固體顆粒 主要是石英沙 就是咱們的石英顆粒 那麼我們來瞭解一下石英顆粒的一些結構情況 這就是一個二氧化硅 石英沙的一個排布 前面那是一個硅原子 14號元素 有28個原子質量 後面的是氧 它們這個排布 上面的是硅原子的電子排布 它的不同電子層 有三個電子層 其中第三個電子層它有不飽和狀態 而氧原子它有兩個電子層 其中第二個電子層是不飽和的 左邊是它的一個電子的排布 它是一個不導電的靜電體 電子是不能移動的 它們形成這樣一個網絡結構 就像我們常見的二氧化硅的一個電子排布 那麼輻熱是怎麼存儲的呢 就是環境恆定的能量輻射 整體的能量會增高 電子越線軌道來不斷的存儲能量 它這裡面也發生一定的軌道越線 形成一些空缺或者一些陷阱 這樣就能夠積累外來的輻射的能量 那麼隨著時間的推移 它積累的能量越來越多 越來越多 那麼經歷的時間越長 它積累的能量越多 經歷的埋藏的時間或者使用的時間越長 只要第一次加熱以後 後來再也沒被加熱過 它不斷的積累能量 但是若干年以後 如果這個氣候 比如現在考古發現出來了 我把它加熱一下 我重新加熱一下 那麼正式加熱 加熱就會把陶器當中 暗化軌道當中的存儲的能量 會以光的形式再次放出來 就形成了一個視光 那麼這個能量的變化 就等於加熱熱的能量和活的能量 那麼能量的釋放 與存儲的時間存在一定的關係 存在一定的關係 就是說能量的釋放和積累的能量的多少 是有一定的關係的 它滿足這樣的一個關係式 那麼熱時光測點 我可以通過這樣的一個公式來進行測定 比如說陶器 它的燒電營 就等於自然熱時光量比上熱時光的靈敏度 乘以上自然輻射粘劑量 那麼熱時光的靈敏度 就是單位輻射劑量 它的一個熱時光量 單位輻射劑量的一個熱時光量 它等於人工熱時光量比上人工輻射劑量 這是它的一個計算原理 那麼標本的自然熱時光量和熱時光靈敏度 都可以測定出來 我們只要測出陶器當中的鈾、土、鉀的含量 周圍土壤當中的輻射強度和宇宙輻射強度 可以定出自然的輻射劑量 那我自然的輻射劑量也知道了 熱時光靈敏度也知道了 自然的熱時光量也知道 因此通過這個公式 我就可以計算出陶器的一個燒製年代 陶器的一個燒製年代 當然這裡的具體的一個數據的確定 在這裡大家可以參考一些相關的書目 具體的我會不多介紹 那麼這個測電方法 我看一下工作程序 這是它的一個測電的一個 利用這個熱時光測電的一個流程 進行採樣、承重 然後在測電器當中進行加熱 讓其釋放出它的總的機體的能量 然後人為的X光照射 算出了它的一個熱時光量 那麼在測電器當中進行加熱 讓其釋放出總的光量 根據這樣的一個計算公式 我可以得出它的一個年代 它的一個時間數據 就是年代數據 那麼熱時光 它測量的樣品主要是被火加熱過的一些標本 因此熱時光 因為它是多年的能量積累 一次性放出是沒有重復的 它放出以後就完了 那麼經過火燒的 含有絕緣晶體的文物標本 我們都可以利用它來測定 最後一次被火燒的年代 就剛才說了 火加熱的時候 其實相當於一次清零過程 就是你把原來積累的能量釋放出來 所以說 我們只能測出它最後一次被火燒的年代 因此 理論上 用熱時光測電的標本 必須滿足以下的要求 第一個 要含有一些絕緣體 比如咱們講的實驗沙 第二 氣物埋葬周圍要有恆定的輻射能源 就是在它的埋葬環境當中 有一些恆定的輻射能源 來進行均勻的照射 第三 要能精確測出埋藏若干年以後 實驗沙接受輻射能量的總值 一般我們需要滿足這樣的三個要求 纔能夠作為一種熱時光測年的標本 實際上 絕大多數的陶器 瓷器 火燒土 磚瓦 這些經過火燒過的 含有黏土類的物質 都含有實驗沙 因此 像這些文物 或者這些標本 我們都可以作為測年的一個標本 而黏土 土壤中均勻分佈著 鈾 土 鉀 四石等這些放射恆定 常半燃氣的能源 所以 關鍵要精確計算出儲存的熱時光的總能量 那麼對於熱時光測年標本的採集 必須要明確表明產地的當時的溫濕度 輻射強度 以及所指的環境的具體情況 它的採樣步驟 第一 就要詳細記錄周圍的地形 土質 石碑等情況 測出距離地表覆蓋層的深度 第二 要用微劑量輻射儀 監測 咱們監督環境的輻射 盡量排除在具有異常輻射的環境下 來進行採集標本 因為它再次輻射的時候 肯定年齡有很大的誤差 第三 就是所採集的標本 最好 連周圍環境的土壤五到七釐米 一起轉入準備好的塑料袋 把它密封起來 然後進行加固包裝 第四 就是一個標本的重量 大約我們採的是三十到五十克左右 同一個研究對象 最好能起到三到五個標本 第五 在運輸儲藏過程當中 盡量避免強光的曝曬 絕對禁止高溫和加熱 還有防止外界的放射性輻射 這些對它的一種幹擾 第六 就要記錄一下採集的地點 地下的水位 氣候條件 標本採集的季節 這些詳細的一些信息 那麼熱蝕光 它測量的方法 它有自己的一些優缺點 首先 就標本的用量 用量比較少 速度快 跨度比較大 那麼對史前遺存 年代測定有較大的作用 特別是我們找不到碳14標本 或者說碳14標本可疑的這種遺址 但是這遺址當中 你如果出現一個陶器 那麼這個陶器作為測試對象 就不會因為發覺是打破關係 或者斷層現象 我們就可以把它作為一種測量的對象 利用熱蝕光方法來進行測量 但是 由於這個方法的誤差 實驗誤差和測量誤差不可避免 所以熱蝕光的精確度 也會受到一定的影響 有些因素會影響對這些劑量的一些測定 另外 還需要精確確定天然的這種放射性的來源 那麼陶器在力場的實際接觸 也放射性的造成條件 所以說 它還會受到一些幹擾 那麼熱蝕光 在測定的距今兩千到八千年範圍內 來說 碳14方法可能精確點 但是當大於八千年 碳14方法沒有樹木年輪校正的時候 熱蝕光方法可以與碳14相互補充 尤其是在一日當中 如果出現碳14和陶器 我覺得這兩個方法可以結合起來相互驗證 那麼對於熱蝕光方法 在咱們這個考古學研究當中 也曾經應用 比如說在咱們灰線戰國 典型的測量當中 曾經用過這樣的一個方法 來進行定量 除了熱蝕光方法以外 還有一個叫光蝕光 那麼光蝕光和熱蝕光 它的基本原理是相近的 光蝕光是在熱蝕光基礎上 發展起來的一種方法 那麼光蝕光技術 它也是利用礦物晶體 釋放出積蓄的能量的現象 那麼光蝕光和熱蝕光 它們原理一樣 只不過說在釋放能量的這種 加熱的技術手段上面 是有差異的 那麼熱蝕光是通過這種加熱的方式 把絕緣固體當中存儲能量 把它釋放出來 而光蝕光 是利用這種照射 就是光 來照射這個絕緣固體 使這絕緣固體當中 多積蓄的能量 積累的能量 釋放出來的一個過程 兩個釋放能量的方式不一樣