Művészet és fizika
BEPILLANTÁS A MŰVÉSZETTÖRTÉNETBE RÖNTGENSUGARAKKAL * Biróné Kabály Enikő Debreceni Református Kollégium Gimnáziuma, Magyarország,
[email protected], az ELTE Fizika Tanítása doktori program hallgatója ÖSSZEFOGLALÁS A röntgensugárzásnak fontos szerepe van a régészeti leletek vizsgálatában, restaurálásában. Ez a cikk különösen azoknak a tanároknak szól, akik motiválni szeretnék kifejezetten humán érdeklődésű diákjaikat a fizika tanulására. Keresik annak a módját, hogy meg tudják mutatni a tanítványaiknak, hogyan fejtik meg a mai kutatók a több száz, néha ezer évvel ezelőtti alkalmazott anyagok rejtélyét, hogyan alkalmazzák a fizikát például a régészetben, az öröklött értékek megóvásában. A téma felhívja a tanulók figyelmét a természettudományos eredmények széleskörű alkalmazására, integrációjára, a humán területekkel való kapcsolatokra is. BEVEZETÉS Az elektromágneses spektrum valamennyi középiskolai fizikakönyvben szerepel, a röntgensugárzásról azonban csak kevés szó esik. Pedig a röntgensugárzás alkalmazásáról sokat hallunk a mindennapokban is. Elsősorban az orvosi diagnosztikában közismert a szerepe, de gyakran van szó az ipari, technikai alkalmazásairól is. Jóval kevésbé közismert a az ún. röntgen-fluoreszcens analízis, ami a különböző kémiai elemek roncsolásmentes kimutatásában jelentős. A gyógyászati, ipari, technikai alkalmazások mellett a röntgensugárzásnak a régészetben és a műalkotások vizsgálatában is fontos szerepe van. A következőkben a felhasználásnak ez utóbbi területeire fókuszálunk. RÖNTGENSUGARAK ELNYELŐDÉSE (ABSZORPCIÓJA) A köztudatban az él, hogy a röntgensugárzás áthatol az anyagokon. Ez azonban nem teljesen igaz, az sugárzás áthatoló képessége függ a sugárzás energiájától (hullámhosszától) azon anyag kémiai összetételétől, amin áthalad, és az anyag rétegvastagságától. Általánosságban kimondható, hogy a kisebb energiájú (nagyobb hullámhosszú) ún. „lágy‖ röntgensugarak az anyagokban jobban elnyelődnek, a nagyobb energiájú (kisebb hullámhosszú) „kemény‖ röntgensugárzás jobban áthalad az anyagokon. Az röntgensugárzás alkalmazása az orvosi diagnosztikában azon alapul, hogy a test lágy részein a sugárzást alig gyengítik, míg pl. a csontokon áthaladva a sugárzás intenzitása erősen lecsökken. A röntgensugárzással átvilágított test mögött elhelyezett fluoreszcens ernyőn, fotólemezen, vagy félvezető detektorból álló elektronikus érzékelő ernyőn a sajátosan változó intenzitású „árnyékkép‖ fogható fel. A modern röntgenkészülékek kis intenzitású sugárzással működnek, és a képet elektronikus képerősítővel teszik részleteiben is jól megfigyelhetővé. Az ilyen korszerű berendezések már nagyon kis abszorpciós különbségeket is kimutatnak, ezáltal megkülönböztethetők még a testnedvek is. A modern képalkotó technikákkal az ábrák térben forgatva is megjeleníthetők egy számítógép képernyőjén, hamis színekkel „kiszínezve‖ pedig kiemelhetők a fontos részletek. Az anyagon áthaladó röntgensugárzás anyagi minőségre érzékeny elnyelődését az orvosi gyakorlaton túl régészeti vizsgálatokra is hatékonyan alkalmazzák. Előnye, hogy könnyen elvégezhető, roncsolás-mentes vizsgálat, ami nem károsítja a műtárgyat. Sokféle anyag
117
Művészet és fizika vizsgálatára használható a papírtól egészen az aranyig. Olyan információkat tudhatunk meg belőle, mint az anyag belső inhomogenitása, esetleges belső roncsolódások, a korábbi helyreállított sérülések, átfestések, javítások, cserék. Információt kaphatunk a sűrűségről, a belső korrózióról, vagy szuvasodásról, és rejtett szövegeket fedezhetünk fel. A röntgenvizsgálatok régészeti alkalmazására közismert példa az egyiptomi múmiák vizsgálata. Az 1. ábrán a kairói múzeumban őrzött, macskát ábrázoló szobor röntgenképe látható. A felvétel bizonyítja, hogy nem egyszerű üreges faszoborról van szó, hanem szoborkoporsóról, ami egy macska múmiáját rejti (erre utal a nyíl).
1. ábra. Macskakoporsó a kairói Egyiptomi Régiségek Múzeumból (Richard Barnes fotója). A rotterdami Boymans-van Beuningen múzeum őrzi Hollandia egyik legrégebbi festményét magában foglaló „Norfolk’ szárnyas oltárt (2. ábra). A röntgenképen jól látható, hogy a középső oltárkép alsó részét egy utólag beillesztett külön falemez alkotja. Bár a festék takarja, a röntgenképen észrevehető, hogy a fa erezete más irányú és a szélén vékony törésvonalak figyeltek meg. A röntgenvizsgálat vetette fel a kérdést, hogy toldott lemez mögé esetleg írást vagy röntgennel nem érzékelhető szerves anyagú ereklyét helyezhettek el egykor.
2. ábra Norfolk-szárnyasoltár, 1415-1420-ból, Boijmans Van Beuningen Múzeum, Rotterdam, Hollandia. A kínai Zhou dinasztia (kb. 900 Krisztus előtt) korából származó edény látszólag teljesen épnek tűnt. A röntgenátvilágítás mutatta meg, hogy valamikor széttört, és darabjaiból újra összeállították (4. ábra). A vázán látható virágfüzért részletesen is megvizsgálták, így derült ki, hogy jellegzetes írásjelekből álló feliratot rejt.
118
Művészet és fizika
3. ábra. Zhou kori bronz váza az Indianapolisi Művészeti Múzeumból, annak röntgenképe, valamint egy digitálisan kinagyított nagyenergiájú röntgenkép részlete
RÖNTGEN-FLUORESZCENCIA ANALÍZIS (XRF) A műtárgyak anyagi összetételének pontos ismerete sokszor értékes támpont lehet a készítés idejének behatárolásához, utólagos módosítások felderítéséhez, vagy akár a hamisítványok kiszűréséhez is. A röntgen-fluoreszcencia módszer lényege, hogy röntgen-, vagy gamma-sugárzással a minta atomjainak belső elektronjait magasabb energiájú állapotokba gerjesztjük. A magasabb energiaszintekről az elektronok spontán módon visszaugranak az üresen maradt alacsonyabb energiájú állapotokba. A két energianívó közti spontán átmenet során az atom az energiakülönbségének megfelelő karakterisztikus röntgensugárzást bocsát ki. A kilépő röntgen-fotonok energiája az atomok anyagi minőségére utal, a karakterisztikus sugárzás intenzitása pedig az adott elem koncentrációját jelzi a mintában. A POMPEJI VÖRÖS NYOMÁBAN A Vezúv kitörésekor vulkáni hamuval és habkővel beborított be Pompeji feltárása során gyönyörű freskókat tártak fel a régészek A város egykori művészei egy ragyogó bíborszínű festéket használtak a festmények háttereként. A cinóber néven ismert vörös festék alapanyaga a higany-szulfid (HgS). A feltárást követően azonban, a freskók egykor élénkvörös színe több helyen feketére változott, míg máshol változatlan maradt. A rejtély megoldására egy francia és olasz kutatókból álló csoport mind a változatlanul maradt (piros), mind az átalakult (szürkés fekete) festék-minták elemi összetételét megvizsgálta. A kutatók feltérképezték a piros, a szürke és a fekete felületekről kilépő röntgenfluoreszcencia jeleket, és így meg tudták állapítani a közvetlen kapcsolatot a festmény színei és az elemi összetétel között. A festékből származó kén és higany, valamint a malterban a mészkövet alkotó kalcium mellett kis mennyiségben egyéb elemeket, például alumíniumot, szilíciumot és káliumot is találtak. A legnagyobb meglepetést azonban a klór jelenléte okozta. Kimutatták, hogy ahol vörös festék megfeketedett ott megtalálható a klór. Így értelmezhetővé vált a színváltozás: A klór jelenlétében a cinóber elbomlik, belőle kén keletkezik, amely azután (kén-dioxid formájában) reakcióba lép a materben lévő kalcium-karbonáttal és kalcium-szulfátot hoz létre. Ezt a folyamatot elősegíti a festékben a higany-szulfid jelenléte, és ez magyarázza meg, hogy miért nem vesztették el az eredeti színüket azok a falfelületek, amelyeket nem cinóberrel festettek be.
119
Művészet és fizika
8. ábra A Pompeji Villa falfestményein látható a veszélyben levő vörös festék (Fotó: Rossella Lorenzi ) A tudósok további kutatásokat végeztek, és megvizsgálták az egyik minta keresztmetszetét. A vizsgálatból kiderült, hogy csupán 5 µ (5 ezred milliméter) vastag az a festékréteg, amely oxidált állapotú ként tartalmaz és elvesztette az eredeti színét. Ez alatt a cinóber változatlan maradt, így van remény arra, hogy a restaurálás után a freskók újra eredeti színeikben ragyogjanak. JAVASLATOK A RÖNTGENSUGÁRZÁSSAL KAPCSOLATOS ÉRDEKESSÉGEK ISKOLAI FELDOLGOZÁSÁHOZ A röntgen-sugárzás témakörének feldolgozása jó lehetőséget kínál arra, hogy a tanulók kis csoportokban, projektmunkát végezhessenek. A csoportok és a projektfeladatok összeállítására számtalan lehetőség kínálkozik. Lehetnek a csoportok tagjai azonos érdeklődésűek, így egy-egy csoport feldolgozhatja az alkalmazások különböző területeit – bemutatva az orvosi, környezetvédelmi, ipari és régészeti alkalmazásokat. De összeállíthatjuk úgy is a csoportokat, hogy a csoportban különböző érdeklődésű tanulók legyenek, így olyan feladatlapot is megoldathatunk velük, amely összefoglalja az elméleti ismereteket és a különböző gyakorlati alkalmazásokat egyaránt. 1.
2.
3. 4.
5.
Érdekes lehet utánanézni, milyen röntgen berendezések azok, amelyeket az űrkutatásban alkalmaznak. A röntgen-fluoreszcenciai vizsgálatok szerepet kapnak a Mars kőzetek anyagának vizsgálata során is. A csillagászati, űrkutatási alkalmazások szintén alkalmasak az érdeklődés felkeltésére. Feladatul kaphatják a tanulók, hogy ők maguk keressenek olyan művészeti alkotásokat, műtárgyakat, történelmi emlékeket, amelyeknek vizsgálata során használtak röntgensugárzást. Ellátogathatunk az iskolához közel eső nagyobb múzeumba is, és kérhetünk előadást, kihelyezett órát, vagy bemutatót a tudományos vizsgálati módszerekről. Egy-egy fenti, vagy ahhoz hasonló példához, cikkhez kapcsolódóan feltehetünk a szöveggel kapcsolatos kérdéseket. A diákok át is fogalmazhatják a cikket egy-egy más stílusú újság számára, esetleg írhatnak belőle rövid hírt, összefoglalót, képzelt riportot. Így a fizikai tartalmak megismerésén túl a diákok szövegértési és szövegalkotási kompetenciáját is fejleszthetjük. A különböző elemek által kibocsátott röntgensugárzás energiaértéket táblázatokban megtalálhatjuk. A diákok megpróbálhatják ez alapján eldönteni, hogy egy adott energia-
120
Művészet és fizika eloszlás esetén milyen elemeket tartalmazhat a minta. Határozza meg az alábbi táblázat alapján, a kutatók által vizsgált minta milyen elemekből állhat!
Review of Modern Physics, (January 1967.) Characteristic X-Ray Energies in keV Z K1 K2 K1 L1 L2 14 1.73998 1.73938 1.83594 15 2.0137 2.0127 2.1391 16 2.30784 2.30664 2.46404 17 2.62239 2.62078 2.8156 18 2.95770 2.95563 3.1905 19 3.3138 3.3111 3.5896 20 3.69168 3.68809 4.0127 0.3413 0.3413 21 4.0906 4.0861 4.4605 0.3954 0.3954 22 4.51084 4.50486 4.93181 0.4522 0.4522 23 4.95220 4.94464 5.42729 0.5113 0.5113 24 5.41472 5.405509 5.94671 0.5728 0.5728 25 5.89875 5.88765 6.49045 0.6374 0.6374 26 6.40384 6.39084 7.05798 0.7050 0.7050 27 6.93032 6.91530 7.64943 0.7762 0.7762 J. A. Bearden, "X-Ray Wavelengths" Az érdeklődő diákok számára gondolkodtató és számolási feladatokat is adhatunk. Melyik elemnél jelenik meg először az L-sorozat és miért?
6.
Megoldás: Az L-sorozatnál az elektron valamelyik felsőbb héjról az n = 2 héjra gerjesztődik le, tehát legalább egy elektronnak lennie kell a harmadik héjon. A harmadik héj betöltődése a Na-nál (1s2 2s22p6 3s1) kezdődik, ennek már van egy L-sorozatbeli vonala. A hidrogén-atomra vonatkozó törvényszerűségek, a Bohr-modell, a Moseley-törvény általában szerepelnek a reálérdeklődésű diákok tananyagában. Ezekre alapozva a diákok maguk is végezhetnek közelítő számításokat a különböző elemekre vonatkozóan. Két energiaszint, melyeket m és n főkvantumszámok jellemeznek, közötti elektronátugrás esetén a kibocsátott sugárzás frekvenciája: me e 4 1 1 2 1 2 1 ν= Z a 2 2 = 13,6eV Z a 2 2 , 3 2 8 h ε0 n n m m ahol „a‖ az árnyékolási tényező. Mennyi a Co K vonalának frekvenciája? K vonal akkor keletkezik, amikor az L héjról (m=2) történik a K héjra (n=1) a legerjesztődés. Legerjesztődéskor a második, L héjon levő elektron felé a K héjon maradt 121
Művészet és fizika egy elektron egy egységnyi magtöltést leárnyékol, ezért a frekvencia kifejezésben a=1, azaz (Z − 1)2 szerepel. Kobaltra: Z=27 1 2 1 ν K = 13,6eV Z 1 2 2 = 6895,2eV 6,9keV α 2 1 A kapott eredményt összehasonlíthatjuk a korábbi táblázatban megadott értékekkel. ÖSSZEGZÉS A röntgen-sugárzás természetének, tulajdonságainak, alkalmazásainak megismertetése hasznos akkor is, ha nem a fizika iránt érdeklődő, motivált csoportban tanítunk. A téma feldolgozása a fenti példák mellett számtalan lehetőséget kínál arra, hogy bemutassuk a diákjainknak, nincs külön humán- és reál-kultúra, a világ egységes és megismerésére megértésére csak akkor van esélyünk, ha ebben valamennyi tudomány együttműködik. IRODALOMJEGYZÉK 1. Physics Methods in Art and Archaeology, 2003 University of Notre Dame, http://www.nd.edu/~nsl/Lectures/phys178/ 2. M. Schreiner, B. Frühmann, D. Jembrih-Simbürger, R. Linke, X-rays in art and archeology-an overview, JCPDS-International Centre for Diffraction Data 2004, Advances in X-ray Analysis, Volume 47. 3. M. Cotte, J. Susini, N. Metrich, A. Moscato, C. Gratziu, A. Bertagnini, M. Pagano (2006), Blackening of Pompeian cinnabar paintings: X-ray microspectroscopy analysis. Analytical Chemistry 78: 7484-7492.
A Bolyai Líceum udvari homlokzata (Fotó: Ferencz András)
122
