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用核物理來揭開藝術、歷史文物的神秘面紗——《物理雙月刊》

物理雙月刊_96
・2017/08/01 ・3394字 ・閱讀時間約 7 分鐘 ・SR值 544 ・八年級
  • 文/林中一|中興大學物理系教授

再看一次表面之下還有沒有藏了些什麼東西

密蘇里大學哥倫比亞分校的布藍蒂.李.麥當勞博士(Brandi Lee MacDonald)是一位轉為古物修復專家的人類學家,他這五年來一直在處理一批來自加拿大麥馬士達大學(McMaster University)的畫作。「這原本並非正業的一個計畫案,但卻像是滾雪球般的成了個長期的計畫,而且還一直在增長。」麥當勞在今年一月在美國華盛頓舉行的美國物理學會 4 月大會上宣告,「這批畫作目前正在加拿大做巡迴展覽,但在今年暑期結束時,我又能繼續對他們做研究了。」

XRF Spectrometer。圖/IAEA Imagebank @ Flickr, CC BY-SA 2.0

麥當勞博士和她的研究團隊挑選了九幅 1400 年時期的油畫,運用了物理的分析方法來為麥馬士達大學的館長回答了藝術史上的核心問題。麥當勞開玩笑的說:「我們足足花了一兩年的時間取得了館長的信任後才能對他說:『嘿,我可以把你們那些價值五百萬美金的畫作放在核子反應爐的爐心嗎?』」。

藉著一套核子造影的技術,研究者可以依據材料的化學指紋圖譜找出那些畫作是用什麼東西畫出來的。麥當勞博士就運用了一個可以偵測顏料化學組成的手持 X-光螢光計(XRF),確認了一幅18世紀梵谷的靜物畫是真跡。

麥當勞博士進一步解釋:「我們使用了X-光螢光計來瞭解那幅畫上面所用的各種顏料。很幸運的,我們沒有發現任何不是那個時代存在的顏料的跡象,所以可以認定那幅畫並非偽作。」研究團隊也使用X-光螢光計的對應系統去分析了一個大小約一至二豪米的斑點,也查明了被蓋在下面的成分元素。結果顯現出了相當多量的鉛和水銀,這些是紅色和膚色調顏料的主要成分。

X-光螢光計(XRF)。圖/Christophe @ Wikipedia commons, CC BY-SA 3.0

由於那個斑點在目視之下並非皮膚色,這暗示在表面的畫作之下可能還藏有另一幅畫。運用了高解析度的中子放射線攝影術檢驗的結果,果然發現了有另一幅畫藏在下面。這也證實了那位口袋空空的窮光蛋畫家果然有在重複使用他畫過的畫布。

放射線與文物修復

在洛斯阿拉莫斯國家實驗室(Los Alamos National Laboratory),依蓮娜.瓜迪契里博士(Elena Guardincerri)以及她的研究團隊計畫重製位在義大利佛羅倫斯有名的聖母百花大教堂(Cathedral of Santa Maria del Fiore)的建築藍圖。然而做為物理學家,他們有的主要工具是客製的介子偵測器來揭露大教堂圓頂的內部結構。

「檢測的結果發現大教堂的圓頂是雙層而非單層結構,而且很有趣的是,那個圓頂在建造時並沒有先建臨時的支撐結構,」瓜迪契利博士在紐奧良舉行的 2017 年 3 月 APS 大會中解釋道:「圓頂的雙層結構都有裂縫,而且裂縫還繼續在延展……最大的那個裂縫有 8 公分長。有好幾位我們的團隊成員都還想要在圓頂倒塌之前對之予以補強。」

由義大利建築師菲利波.布鲁内萊斯基(Filippo Brunelleschi)所設計的,被聯合國教科文組織(UNESCO)列為世界文化遺產的這個圓頂建築其實有一個超過兩公尺厚的內殼,咸認是只用了磚造和沙岩築成的。沒有人知道裡面是否還有其他的補強結構,像是在兩個殼層之間加了鋼線等等。 有些歷史學家猜測在圓頂的內部牆上有加襯鐵鍊,但是也從無證據證明有這麼一回事。

「有文件顯示在建築圓頂時期有買過好幾千磅重的鐵,但這些鐵基本上已經下落不明,」瓜迪契里博士這麼說:「所以我們團隊想過我們可以用渺子(muon)放射線攝影術來看看這道牆壁的內部。」

聖母百花大教堂(Cathedral of Santa Maria del Fiore)的圓頂。圖/ Peter K Burian @ Wikimedia Commons, CC BY-SA 4.0

渺子,這個比較重的電子的表兄弟,是宇宙射線和地表大氣層作用後的副產品。渺子有個有名的本事,就是因為它基本上不太和物質起作用,以致它可以穿透幾百公尺厚的物質;這個特性提供了瓜迪契里博士和她的團隊一個完美的方式來探測圓頂的雙層結構中間到底還有些甚麼好東西。瓜迪契里博士解釋著:「如果我們知道雙層中間夾著的材料的厚度,那麼藉著測量散射角,我們就能知道這材料到底是啥麼玩意兒。」

2015 年團隊在洛斯阿拉莫斯國家實驗室做了一次實彈演習的量測實驗─瓜迪契里博士的學生們複製了大教堂圓頂內牆最厚的那一部份,並在裡面藏了三支鐵條。兩具渺子追蹤器被放在牆的兩邊,記錄了 35 天的數據,並依據記錄產生了一組復合的影像。雖然儀器記錄了一整個月的信號,研究團隊在 17 天後就觀察到了那些鐵條。

瓜迪契里博士把在洛斯阿拉莫斯的彩排結果向佛羅倫斯方面報告,並取得了大教堂主管單位的同意,將新設計的較薄的攜帶型渺子追蹤器裝設於大教堂的圓頂內。這些最後派上場的探測器是在美國的喬治亞理工學院製造的,團隊計畫在 2018 年的一月開始正式的渺子影像測量。

「我們將在圓頂的幾個選定的部分做測量,每一部份的影像量測將需時一個月,」瓜迪契里博士這麼說:「我們將先取三到四組的影像作為圓頂的切片檢查……如果結果很好而且我們還找到了鐵鍊(或其他甚麼東西),我們就會繼續做全面的檢查看看還有些甚麼破損,作為修復的依據。」

下一世代的埃及歷史學家

頹廢又神秘,古埃及人留下一堆超多樣的奇特歷史遺物給後世─其中有許多都是世界各大博物館及收藏者在收藏品展出時的明星展覽品。在眾多收藏者中美國伊利諾州芝加哥附近的納珀維爾中央高中(Naperville Central High School)是唯一個擁有一具埃及木乃伊的高中。這具已知有 2000 歲的木乃伊被稱做克里歐(Cleo),是大約 1940 年時有一個人捐給學校的。咸信克里歐應該是這個人在某個埃及古董店買到的。

2000 歲的木乃伊被稱做克里歐 (Cleo)。圖/Naperville Central High School

美國阿岡國家實驗室(Argonne National Laboratory)的福克.羅斯(Volker Rose)以他在 X 光螢光計和輻射攝影術的經驗幫助納珀維爾中央高中的學生檢驗金字塔的材料及克里歐身上取下的樣品,這些實驗是運用在裝設在阿岡先進光子源(Argonne’s Advanced Photon Source)的世界級設備做的。

「由於這裡談的是個高中生的計畫,我們可沒有辦法用甚麼美國時間和那些典型的研究團隊相比較,」羅斯解釋說:「我們花了大約半年來準備這個計畫,但是我們有雄心要學到很多……我們目前從這個計畫中間所得到的成果已經有期刊論文的水準。」

羅斯和一組挑選出的學生檢驗了埃及金字塔的建築基石,探討金字塔究竟是由灌漿凝結成的鑄石還是由天然岩石切割出來的石塊所建造。羅斯和他的學生團隊探透過分析石材中通常有的像鋁元素來探討純正埃及岩石樣品的化學結構。

「在已知的金字塔細微結構中有跡象指出那些建築基石是灌漿的鑄石,學生們和我研究了地質聚合物以瞭解這些石材的化學成分,希望能對這個被長期爭論的題目提出個答案。」羅斯說:「然而,要拿到一塊純正的石材樣品,是比我們想像的要困難……。」

美國阿岡國家實驗室的福克.羅斯在阿岡先進光子源與來自納珀維爾中央高中的學生們一起工作。圖/Argonne National Laboratory

羅斯目前的計畫已在 3 月底開動。他的學生們將要使用X光螢光的技術去檢驗蓋在克里歐臉上的陪葬面具是甚麼材料製作的,去回顧一下埃及當時的殯葬人員是如何執行那個時代的文化儀式。

羅斯是以在 2013 年和芝加哥藝術學院的合作而著名。當時他運用顯微鏡技術顯露了畢卡索是第一個使用一般家用塗料來製作他晚期的作品。這個工作讓羅斯開展了他連結藝術與科學的熱情,也激起他給年輕一代的高中生一個機會,像是納珀維爾中央高中的學生一樣,透過阿岡實驗室的「典範學生研究計畫」(Exemplary Student Research Programs)去親手使用應用物理的工具做研究。

「科學與藝術文化的遺產定義了我們之所以為人,所以我認為保護科學與藝術、教導其他人他們是可以由彼此而相互得益是很重要的,」羅斯說道:「與社會大眾和高中生們一齊努力是我們的責任,而這些合作的經歷為我打開了直接與我們下一代的科學家們密切互動的大門…這真是令人鼓舞的!」

本文感謝 APS NEWS(美國物理學會)同意以中文形式翻譯轉載,原文刊登於 APS NEWS 網站


 

 

 

本文摘自《物理雙月刊》39 卷 6 月號 ,更多文章請見物理雙月刊網站


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《物理雙月刊》為中華民國物理學會旗下之免費物理科普電子雜誌。透過國內物理各領域專家、學者的筆,為我們的讀者帶來許多有趣、重要以及貼近生活的物理知識,並帶領讀者一探這些物理知識的來龍去脈。透過文字、圖片、影片的呈現帶領讀者走進物理的世界,探尋物理之美。《物理雙月刊》努力的首要目標為吸引台灣群眾的閱讀興趣,進而邁向國際化,成為華人世界中重要的物理科普雜誌。


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為什麼吃甜的會蛀牙?——《生活中的東西都可以寫成化學式》

快樂文化
・2022/05/09 ・1404字 ・閱讀時間約 2 分鐘

來談談我們的敵人——蛀牙。

蛀牙的化學物語

導致蛀牙的主要原因有兩個。前面提過的蛀牙菌是其中一個因素,而蛀牙菌具體的名稱為「轉糖鏈球菌」,據說這種細菌常在孩童約三歲以前經由大人傳染,原因包括使用父母用過的筷子和湯匙,或輪流喝飲料等;另一個因素就是食物中所含的糖分,主要成分為「蔗糖」。

這兩個因素結合在一起時,就會發生以下情況:首先,轉糖鏈球菌利用蔗糖製造一種稱為「葡聚糖」的分子。葡聚糖的化學式為(C6H10O5)n,後面會再詳細說明。葡聚糖附著在牙齒表面,會成為轉糖鏈球菌的棲息地。此外,口腔中的其他細菌(根據統計,口腔中的細菌有 600 多種)也會混入其中。

這些附著在牙齒上的組合物稱為「牙菌斑」,有時也被稱為「齒垢」或「生物膜」(biofilm,又稱菌膜)。你可能在牙膏等的廣告中有聽過這些名詞。

之後,獲得棲息地的轉糖鏈球菌會產生大量的「酸」,引發去礦質作用,最終導致蛀牙。這個過程如下列所示。

轉糖鏈球菌生活在溫暖的葡聚糖裡,並分解出乳酸;事實上它們也會分解出醋酸,及一種稱為甲酸(HCOOH)的酸,但乳酸所佔的比例較高。這些酸會引發強烈的去礦質作用,溶解牙齒並造成蛀牙。

在這種情況發生前,必須好好刷牙,以澈底清除黏附在牙齒上的牙菌斑(葡聚糖+細菌)!即使是漱口,具黏性的牙菌斑也不易脫落,最有效的方法還是好好刷牙。而牙膏中含有研磨劑(可幫助去除汙垢的顆粒),能有效去除黏黏的牙菌斑。

不易蛀牙的甜食

上個單元我們說明了糖是如何引起蛀牙的。事實上也有一些分子的味道就和糖一樣甜,但卻不太容易引起蛀牙,其中最有名的分子之一就是「木糖醇」,你可能有聽過加了木糖醇的口香糖吧!這個分子的化學式為 C5H12O5,詳細的結構如下圖。

為什麼木糖醇味道甜甜的,卻不容易引起蛀牙呢?在回答這個問題前,我們先回想一下為什麼蔗糖(糖)會導致蛀牙。蔗糖是轉糖鏈球菌用來製造葡聚糖的材料,而反應過程中產生的果糖,會被轉糖鏈球菌做為養分來源,並分解出乳酸分子。

那木糖醇呢?首先木糖醇不像蔗糖是製造葡聚糖的材料,另外轉糖鏈球菌不會把木糖醇當成養分來源,所以也不會分解出乳酸。因此它們的味道雖然很甜,但卻不容易引起蛀牙。

這裡出現了一個問題。木糖醇和蔗糖的結構看來截然不同,但為什麼味道也是甜甜的呢?若像下圖一樣,稍微改變一下木糖醇的畫法,就會發現它的結構與構成蔗糖的葡萄糖和果糖很像,具有許多羥基這點也非常相似。

——本文摘自《生活中的東西都可以寫成化學式》,2021 年 11 月,快樂文化


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