科技考古-文物的微觀結(jié)構(gòu)分析技術(shù)

第三章文物的微觀結(jié)構(gòu)分析技術(shù)

通過對(duì)文物微觀結(jié)構(gòu)的觀察，能夠?yàn)槿藗兲峁┲庇^的結(jié)構(gòu)信息，所以文物的微觀結(jié)構(gòu)的觀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、光學(xué)顯微鏡1、體視顯微鏡2、偏光顯微鏡3、金相顯微鏡二、電子顯微鏡1、掃描電子顯微鏡2、透射電子顯微鏡一、光學(xué)顯微鏡1、體視顯微鏡：主要用來檢查肉眼不能清晰確認(rèn)或觀察的顯微特征。SMZ1500型體視顯微鏡泰克體視顯微鏡

通常體視顯微鏡由物鏡、目鏡、鏡筒、載物臺(tái)和一個(gè)附加的照明燈等部分構(gòu)成，一些較好的顯微鏡還配有照相系統(tǒng)，可獲得被觀察物體的顯微放大照片。體視顯微鏡可通過旋轉(zhuǎn)物鏡調(diào)節(jié)放大倍數(shù)，放大倍數(shù)一般為幾十到幾百倍不等。光學(xué)顯微鏡的原理青銅表面的白色晶體青銅器表面的紅、藍(lán)、綠銹青銅器表面的紋飾偽銹綠漆耀州窯青瓷釉面的氣泡宋代鈞窯正面底面過渡的顯微照片2、偏光顯微鏡：偏光顯微鏡是依據(jù)波動(dòng)光學(xué)的原理，觀察和精密測(cè)定標(biāo)本細(xì)節(jié)，或透明物體改變光束的物理參數(shù)，以此判別物質(zhì)結(jié)構(gòu)的一種顯微鏡。偏光顯微法是通過分辨晶體的顏色、形狀、大小、折射率和消光性等光學(xué)性質(zhì)來鑒別顏料的。型號(hào)為Axioskop40的偏光顯微鏡單折射性與雙折射性：光線通過某一物質(zhì)時(shí)，如光的性質(zhì)和進(jìn)路不因照射方向而改變，這種物質(zhì)在光學(xué)上就具有“各向同性”，又稱單折射體，如普通氣體、液體以及非結(jié)晶性固體；若光線通過另一物質(zhì)時(shí)，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，這種物質(zhì)在光學(xué)上則具有“各向異性”，又稱雙折射體，如晶體、纖維等。光的偏振現(xiàn)象：光波根據(jù)振動(dòng)的特點(diǎn)，可分為自然光與偏振光。自然光的振動(dòng)特點(diǎn)是在垂直光波傳導(dǎo)軸上具有許多振動(dòng)面，各平面上振動(dòng)的振幅分布相同；自然光經(jīng)過反射、折射、雙折射及吸收等作用，可得到只在一個(gè)方向上振動(dòng)的光波，這種光波則稱為“偏光”或“偏振光”。

偏光顯微鏡的成像原理與常規(guī)光學(xué)顯微鏡基本相似，所不同的是在光路中插入兩個(gè)偏光鏡。一個(gè)在載物臺(tái)下方，稱為下偏光鏡，用來產(chǎn)生偏光，故又稱起偏鏡；另一個(gè)在載物臺(tái)上方的鏡筒內(nèi)，稱為上偏光鏡，它被用來檢查偏光的存在，故又稱檢偏鏡。凡裝有兩個(gè)偏光鏡，而且使偏振光振動(dòng)方向互相垂直的一對(duì)偏光鏡稱為正交偏光鏡。起偏鏡的作用使入射光分解成振動(dòng)方向互相垂直的兩條線偏振光，其中一條被全反射，另一條則入射。正交偏光鏡間無樣品或有各向同性（立方晶體）的樣品時(shí)，視域完全黑暗。當(dāng)有各向異性樣品時(shí)，光波入射時(shí)發(fā)生雙折射，再通過偏振光的相互干涉獲得結(jié)晶物的襯度。

將待測(cè)樣品清洗、干燥后，選擇合適截面，用金剛石刀片切割成厚約5mm的薄片，粘貼到玻璃載片上，再經(jīng)粗細(xì)不同的磨料拋光，制成厚約0.03mm的光薄片，置于偏光顯微鏡下進(jìn)行觀察，以識(shí)別樣品的礦物組成。樣品偏光鏡片的制備和觀察：?jiǎn)纹鉅顟B(tài)下的古陶器巖相照片SMZ1500型體視顯微鏡DMLS/P偏光顯微鏡案例介紹我國(guó)古代北方白瓷的微觀結(jié)構(gòu)研究1.樣品及觀察儀器邢窯X17x2.5體式顯微鏡下X3胎20x10（正交光）X140x10（單偏光）X140x10（正交光）2.觀察結(jié)果定窯D117x2.5（體式顯微鏡下）D13胎40x10（單偏光）D1340x10（單偏光）鞏窯GYXB17x2.5（體式顯微鏡下）GYXB44x10（單偏光）GYXB3化妝土20x10（正交光）GYXB3胎20x10（正交光）3.結(jié)論1、與邢窯和鞏窯不同，定窯白瓷沒有明顯的鈣長(zhǎng)石析晶層。邢窯白瓷析晶層中的晶體形態(tài)為板柱狀，緊鄰析晶層的釉層處發(fā)育有大量毛發(fā)狀鈣長(zhǎng)石叢生晶體，而鞏窯白瓷析晶層中的晶體形態(tài)為短針狀，僅有少量毛發(fā)狀的鈣長(zhǎng)石晶體延伸至釉層內(nèi)。析晶層晶體形態(tài)的差異，暗示著制瓷原料，特別是釉料配方和燒制工藝的不同。2、唐代早期的鞏窯白瓷，因胎色較深或胎料粗糙，均施有一層化妝土。

3、定窯白瓷胎內(nèi)發(fā)育有大量莫來石針狀晶體，其胎質(zhì)細(xì)膩、致密，未熔晶粒甚少，而邢窯和鞏窯白瓷胎內(nèi)皆有淺黃色殘留云母礦物。4、邢窯、定窯和鞏窯白瓷的色度存在細(xì)微差異，這些差異與瓷釉、過渡層的顯微結(jié)構(gòu)以及瓷胎或化妝土的顏色也有一定聯(lián)系。白瓷外觀顏色是釉色與胎或化妝土色、析晶層漫反射作用的疊加結(jié)果。3、金相顯微鏡：金相顯微鏡是研究金屬顯微組織的最基本的儀器之一。金相分析始于20世紀(jì)60年代，它是指通過對(duì)金屬文物顯微組織的分析，來研究金屬文物中合金生成，冶煉，澆鑄以及加工工藝等信息。

金相顯微鏡的基本原理與偏光顯微鏡相似，所不同的是金相顯微鏡增加了入射光附件，可通過垂直的入射光束照射到樣品表面，觀察樣品的微觀形態(tài)。

青銅、鐵器、金銀等合金文物因制作加工工藝不同，其金相結(jié)構(gòu)也不同。金相分析利用此特征對(duì)金屬文物進(jìn)行切片，在金相顯微鏡下，樣品的內(nèi)部組織如晶粒、晶粒邊界裂縫成分析出等現(xiàn)象向考古學(xué)家提供樣品在制作時(shí)的冷熱處理信息，將樣品的金相與已知的鑄造金相比較來判斷樣品是鑄造還是鑄件經(jīng)加工而成。鑲樣

手磨預(yù)磨機(jī)切割金相樣品的分析步驟：浸蝕金相顯微鏡觀察拋光三維視頻顯微系統(tǒng)法門寺出土絲織品觀察安康紫陽(yáng)北五省會(huì)館壁畫顏料剖面觀察新疆東天山北麓出土陶器剖面觀察古代金屬表面銹蝕現(xiàn)狀觀察新疆巴里坤東黑溝遺址出土石器微痕觀察新疆巴里坤東黑溝遺址出土石磨盤淀粉粒觀察古代字畫觀察元青花瓷片3D效果古代青銅泡3D效果圖二、電子顯微鏡1、掃描電子顯微鏡掃描電子顯微鏡的原理與成像：

由電子槍發(fā)射一定能量的電子，以其交叉斑作為電子源，經(jīng)二級(jí)聚光鏡及物鏡的縮小形成具有一定能量、一定束流強(qiáng)度和束斑直徑的微細(xì)電子束，在掃描線圈驅(qū)動(dòng)下，于試樣表面按一定時(shí)間、空間順序作柵網(wǎng)式掃描。聚焦電子束與試樣相互作用，產(chǎn)生二次電子發(fā)射（以及其它物理信號(hào)），二次電子發(fā)射量隨試樣表面形貌而變化。二次電子信號(hào)被探測(cè)器收集轉(zhuǎn)換成電訊號(hào)，經(jīng)視頻放大后輸入到顯像管柵極，調(diào)制與入射電子束同步掃描的顯像管亮度，得到反映試樣表面形貌的二次電子像。

常用的掃描電子顯微鏡的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)如圖所示，主要由五部分組成，分別是電子光學(xué)系統(tǒng)、掃描系統(tǒng)、信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)、顯示系統(tǒng)、電源和真空系統(tǒng)。樣品的要求：①樣品必須是固體（塊狀、粉示狀均可），樣品表面要干凈，如含水的樣品須先進(jìn)脫水處理，并要防止樣品因脫水而變形，表面污染的則要清洗。②樣品的尺寸以能放入樣品臺(tái)上為宜，太大的要切割取樣。③樣品要有良好的導(dǎo)電性，對(duì)于導(dǎo)電性差的樣品如陶瓷、植物、編織品等，在電子束作用下會(huì)產(chǎn)生電荷堆積，影響入射電子束斑和樣品發(fā)射的二次電子運(yùn)動(dòng)軌跡，使圖像質(zhì)量下降。因此這類試樣在觀察前要噴鍍導(dǎo)電層進(jìn)行處理，通常采用二次電子發(fā)射系數(shù)較高的金銀或碳膜做導(dǎo)電層，膜厚控制在20nm左右。掃描電子顯微鏡具有許多的優(yōu)點(diǎn)：（a）試樣的制備簡(jiǎn)單，可以觀察試樣表面形貌，或在其表面蒸鍍或?yàn)R射上一層導(dǎo)電薄膜，并不改變?cè)械男蚊蔡卣?；（b）放大倍數(shù)在幾十倍到幾十萬倍的范圍內(nèi)可連續(xù)調(diào)節(jié)，圖像的清晰度高；（c）掃描電鏡的景深長(zhǎng)，視野大，成像的立體感強(qiáng)，可以直接觀察到粗糙表面上起伏不平的微細(xì)結(jié)構(gòu)；（d）分辨力高。普通人眼為0.1-0.2mm，光學(xué)顯微鏡為0.1×10-3-0.2×10-3mm，掃描電鏡的分辨率可達(dá)到10nm以下；（e）由于掃描電鏡的試樣室空間大，可以較方便地配備拉伸、彎曲、加熱等試樣座，便于對(duì)試樣進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析；可以與X能譜微區(qū)分析及電子衍射等儀器結(jié)合，在觀察微觀形貌的同時(shí)，對(duì)其化學(xué)成分和晶體結(jié)構(gòu)等進(jìn)行綜合分析。掃描電子顯微鏡的應(yīng)用

掃描電鏡可以對(duì)樣品進(jìn)行圖像觀察和晶體結(jié)構(gòu)分析。掃描電鏡可以研究古陶瓷的表面形狀、晶粒大小及相互結(jié)合的狀況以及內(nèi)氣孔的形狀分布，玻璃化程度并進(jìn)而推斷燒結(jié)溫度；研究金屬文物的微觀結(jié)構(gòu)和金屬文物腐蝕的原因；還可以為古代植物、石器工具、獸骨頭和牙齒、古代衣物提供詳細(xì)的立體圖像等等。但實(shí)際工作中，考古工作者常常將之與其他方法相結(jié)合，互相驗(yàn)證，一般掃描電鏡與電子微探針共用，或者與X射線衍射，原子吸收，質(zhì)譜等手段配合。案例介紹一陜西鳳翔豆腐村出土春秋時(shí)期銅構(gòu)件金相結(jié)構(gòu)的初步分析實(shí)驗(yàn)編號(hào)考古學(xué)或博物館編號(hào)取樣部位F9總0068器身側(cè)F10總0065尖角F11總0067器身側(cè)F12總0066器身側(cè)F13總0069尖角金相顯微鏡掃描電子顯微鏡觀察儀器

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c)d)圖1a）F9銅構(gòu)件取樣位置圖；b）光學(xué)顯微鏡拍攝腐蝕后的金相組織照片；c）樣品背散射電子像；d）樣品的SEM-EDAX分析區(qū)域：A區(qū)域?yàn)棣料?，元素質(zhì)量百分含量為90.39%Cu、8.49%Sn、0.17%C、0.96%O；B區(qū)域?yàn)镻b顆粒，含0.25%C、0.33%O、96.15%Pb、3.27%Cu；C區(qū)域?yàn)镃u2O顆粒，含91.09%Cu、8.76%O、0.15%C。

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c)d)圖2a）F10銅構(gòu)件取樣位置圖；b）光學(xué)顯微鏡拍攝腐蝕后的金相組織照片；c）樣品背散射電子像；d）樣品的SEM-EDAX分析區(qū)域：A區(qū)域?yàn)棣料啵刭|(zhì)量百分含量為94.33%Cu、5.51%Sn、0.16%C；B區(qū)域?yàn)镻b顆粒，含0.30%C、9.87%O、89.83%Pb。

a)b)

c)d)圖3a）F11銅構(gòu)件取樣位置圖；b）光學(xué)顯微鏡拍攝腐蝕后的金相組織照片；c）樣品背散射電子像；d）樣品的SEM-EDAX分析區(qū)域：A區(qū)域?yàn)棣料?，元素質(zhì)量百分含量為90.17%Cu、8.29%Sn、0.21%C、1.33%As；B區(qū)域?yàn)镻b顆粒，含0.51%C、11.42%O、85.53%Pb、1.17%Cu、1.36%Al；C區(qū)域?yàn)镃uS顆粒，含0.50%C、20.12%S、79.38%Cu。

a)b)

c)d)圖4a）F12銅構(gòu)件取樣位置圖；b）光學(xué)顯微鏡拍攝腐蝕后的金相組織照片；c）樣品背散射電子像；d）樣品的SEM-EDAX分析區(qū)域：A區(qū)域?yàn)棣料啵刭|(zhì)量百分含量為91.05%Cu、8.78%Sn、0.17%C；B區(qū)為（α+δ）共析體，含73.13%Cu、0.13%C、26.73%Sn；C區(qū)域?yàn)镻b顆粒，含0.32%C、9.05%O、1.45%Al、87.56%Pb、1.61%Cu；D區(qū)域?yàn)镃u2O顆粒，含90.81%Cu、9.04%O、0.15%C。

a)b)

c)d)圖5a）F13銅構(gòu)件取樣位置圖；b）光學(xué)顯微鏡拍攝腐蝕后的金相組織照片；c）樣品背散射電子像；d）樣品的SEM-EDAX分析區(qū)域：A區(qū)域?yàn)棣料?，元素質(zhì)量百分含量為75.63%Cu、16.85%Sn、0.16%C、3.26%O、0.59%As、3.51%Pb；B區(qū)Cu2O顆粒，含88.86%Cu、0.13%C、8.99%O、2.03%Pb；C區(qū)域?yàn)镻b顆粒，含0.27%C、5.62%O、0.92%Al、81.94%Pb、11.26%Cu。結(jié)論金相分析顯示構(gòu)件主要為鑄造組織形態(tài)，但有些采用了退火工藝，形成了等軸晶，如F9。有些可能是經(jīng)過退火處理，如F10和F11，形成了很大顆粒的鉛。還有一些為典型的鑄造狀態(tài)，存在偏析組織，如F12。掃描電鏡能譜儀分析顯示，建筑構(gòu)件含銅量在73～83%之間，含錫量在10～18%之間，含鉛量為1～10%，為鉛錫銅三元合金。案例介紹二2、透射電子顯微鏡彈性散射電子非彈性散射電子背散射電子透射電子二次電子特征X射線Auger電子吸收電子Cherenkov輻射高能電子與樣品的作用透射電子顯微鏡原理和成像：透射電子顯微鏡是以波長(zhǎng)很短的電子束做照明源，用電磁透鏡聚焦成像的一種具有高分辨、高放大倍數(shù)的電子光學(xué)儀器。透射電子顯微鏡由電子光學(xué)系統(tǒng)，真空系統(tǒng)和供電控制系統(tǒng)三大部分組成。透射