1. Aplicacin de la fsica nuclear en lainvestigacin de la procedencia deantiguas cermicasJos Alberto Lorda AbadasMster en Fsicas y tecnologas fsicas. Universidad de Zaragoza 2. NDICE INTRODUCCIN ASPECTOS ARQUEOLGICOS APLICACIN DE TCNICAS NUCLEARES: NAA EJEMPLO: AUTENTICIDAD DE LA CERMICA MARAJOARA BIBLIOGRAFA 3. IntroduccinLa materia prima de las cermicas es la arcilla: Agua, Silicio , Plomo, Aluminio, xidos metlicos, tierras rarasetc. Las cermicas tienen un gran inters arqueolgico debido aque tienen propiedades favorables: Pueden sobrevivir enterradas bajo suelo sin apenasdecaimiento de sus elementos Cuando son descubiertastodava conserva su composicin qumica original. Debido a su fragilidad tienen una corta vida de uso. Ambas propiedades permiten estudiar cortos periodos detiempo. 4. Introduccin Desde el punto de vista histrico es importante determinar silas cermicas encontradas en excavaciones arqueolgicasfueron fabricadas en regiones locales o fueron importadasdesde otras regiones. Tambin es importante verificar suautenticidad. Establecer relaciones culturales. Determinar antiguas vas comerciales. Sugerir formas de vida. Determinar importancia econmica de una reginetc. 5. IntroduccinAplicacin de la fsica nuclear en la arqueologa: Robert Oppenheimer (1904-1967): Primer cientfico en sugerir la aplicacin de mtodos de la fsica nuclear en arqueologa. R.W. Dodson y E.V. Sayre del Brookhaven (National Laboratory, EEUU, 1957) publican un trabajo que trata sobre el anlisis de tiestos mediterrneos por activacin de neutrones. NAA (Neutron Activatin Analysis) Desde 1970 hasta hoy, es la tcnica ms utilizada para determinar la procedencia de objetos antiguos. Otros mtodos empleados son XRF (X Rays Flourescence), OES (Optical Emision Spectroscopy) o AAS (Atomic Absortion Spectroscopy). 6. Introduccin Los mtodos cientficos contribuyen substancialmente en las investigaciones arqueolgicas en los siguientes campos: Conservacin y restauracin Procedencia Datacin Verificacin de la autenticidad 7. Aspectos arqueolgicosPara entender cmo las tcnicas nucleares pueden ayudar a determinar la procedencia de lascermicas hay tener en cuenta en primer lugar los postulados de procedencia de las cermicas. Postulados de la procedencia de las cermicas:1) Todos los recipientes de cermica que tienen la misma composicin de elementos han sido fabricados a partir de la misma pasta de arcilla.2) Cada pasta de arcilla tiene una composicin qumica nica y es caracterstica del yacimiento de donde se ha extrado la arcilla.3) La composicin qumica de la pasta original puede ser determinada. 8. Introduccin Resumen de los postulados: Cermicas cuya pasta tienen distintas composicin qumica Proceden de distintos yacimientos de arcilla. Cermicas cuya pasta tienen igual composicin qumica Proceden del mismo yacimiento de arcilla. Aplicacin de los postulados: Dada una cermica descubierta, determinando su composicin qumica se puede llegar a identificar su procedencia. 9. Aplicacin de las tcnicas nucleares: NAA Requisitos fundamentales que deben satisfacer las tcnicasnucleares empleadas para determinar la procedencia son: Gran reproducibilidad: Dar el mismo resultado en medicionesdistintas, todas ellas con las mismas condiciones. Gran sensibilidad: Tienen que ser medidas hasta los elementos conconcentraciones ms pequeas. Gran versatilidad: Tienen que poderse medir una gran variedad deelementos simultneamente. Gran rendimiento: Tienen que medir muchas muestras. Capacidad de automatizarse: Es imprescindible aplicar mtodosestadsticos computacionales Gran precisin: Debe proporcionar valores cuantitativos correctosque faciliten la comparacin entre laboratorios. 10. Aplicacin de las tcnicas nucleares: NAA La tcnica NAA se adapta a todos los requisitos anteriores Aplicando la tcnica de NAA, se siguen los siguientes pasos:DETERMINAR LACONCENTRACIN DE ELEMENTOS QUMICOS. AGRUPAMIENTO DE LAS MUESTRAS.IDENTIFICACIN DE LA PROCEDENCIA. 11. Aplicacin de las tcnicas nucleares: NAA Determinacin de la concentracin de los elementos qumicos.1)Una muestra de una cermica arqueolgica es irradiada en un acelerador con un flujode neutrones lentos junto con varias muestras estndar de composicin conocida.Muestra arqueolgicaMuestras estndar2) Se forman productos radiactivos que decaen por emisin gamma caracterstica decada elemento. Las intensidades de las lneas gamma son medidas con detectoressemiconductores (permiten medir un rango de energa grande y por lo tanto un grannmero de elementos). 12. Aplicacin de las tcnicas nucleares: NAA3) La muestra arqueolgica y muestras estndar deben ser irradiadas, medidas y evaluadasmediante el mismo procedimiento.4) Comparando las intensidades de las emisiones gamma se determina cuantitativamente laconcentracin de los elementos de la muestra arqueolgica. Ejemplo de procedimiento: Para un Vasija de cermica se suele extraer una muestra de 60-80 mg. Normalmente de labase. La muestra se pulveriza con un mortero de Corindon. El polvo se diluye en 60mg de celulosa y se introduce en una pldora de aluminio de 10 mm dedimetro. La pldora es irradiada durante 90 min con un flujo de neutrones trmicos en un aceleradorjunto con las muestras estndar. El espectro de emisin gamma es medido 4 veces entre los 5 y 24 das despus de haber sidoirradiadas. El tiempo de cada medida vara entre 30 min y 1h30min 13. Aplicacin de las tcnicas nucleares: NAA Elementos que podemos encontrar en una arcilla Silicio Elementos con concentracionesAluminio comunes a todas las arcillasOxgeno NoElementos que se depositan Bario, Calcio, Sodio, Potasio, caracterizan durante su entierro. Rubidio, Cesioa la arcilla.Elementos cuyas concentraciones Arsnico, Bromo, Arena (Silicio), pueden variar en el proceso deCalcita fabricacin.Elementos caractersticos de cadaCobalto, Cromo, Hierro, Thorio,arcilla (yacimiento)Iterbio, Escandio, Samario, Uranio,TRAZADORESHafnio,..etc Los elementos trazadores caracterizan a la arcilla. Reflejan su composicin inicial inalterada.Nos proporcionan las pistas de su procedencia. 14. Aplicacin de las tcnicas nucleares: NAA Ejemplo de espectro gamma usando la tcnica NAA 15. Aplicacin de las tcnicas nucleares: NAA Para obtener valores de concentraciones precisos, las intensidades de las lneasgamma deben ser corregidas del siguiente modo: A)Correccin debida al nivel de fondo: Envoltura de Aluminio, celulosa, paredes del laboratorio, rayos csmicos,etc. B)Correccin debida al tiempo de muerto (tiempo en el cual el detector no mide). C)Correccin debida al detector: Cada elemento es detectado con distinta eficiencia. D)Interferencias entre rayos gamma: Diferentes ncleos pueden emitir energas similares, es el caso del Cr-51 (320keV) que oculta la lnea de 319,4 keV del Nd-147. Esta lnea es determinada mediante la lnea de 531 keV del Nd-147. 16. Aplicacin de las tcnicas nucleares: NAA E.Otras reacciones nucleares: Pueden suceder otras reacciones nucleares no deseadas cuando aparecen neutrones de mayor energa: La concentracin de Cromo es determinada por la emisin gamma del Cr-51 (320keV) (producto radiactivo al bombardear Cromo con neutrones de baja energa) pero si existe neutrones de mayor energa el Cr-51 tambin puede producirse a partir de la emisin alfa del Fe-54. Se hacen medidas de la influencia que tienen los posibles neutrones de mayor energa en la produccin de Cr-54. F.El U-235 puede fisionarse y producir Zr, lo cual puede falsear su concentracin real de Zr. Se realiza una medida de la influencia del U-235 en la produccin de Zr. 17. Aplicacin de las tcnicas nucleares: NAA Ejemplo de las concentraciones de los elementos obtenidas en el anlisis. 18. Aplicacin de las tcnicas nucleares: NAA Agrupacin de las muestras Si el nmero de muestras a examinar no es muy grande y tenemos medidassuficientemente precisas, el agrupamiento de muestras puede realizarse a simple vista En casos reales , el nmero de muestras es grande (ms de 15 o 20) es necesario aplicaranlisis estadsticos computacionales. Los mtodos estadsticos parten de una representacin de las muestras en unhiperespacio de m dimensiones. Donde m es el nmero de elementos que se analizan.Cada eje del espacio corresponde a la concentracin de cada elemento. Por ejemplo, sisolo consideramos 3 elementos ;Co, Cr y Sc, cada muestra queda representada por unpunto en un espacio de 3 dimensiones. Puntos prximos entre s corresponden amuestras de composicin similar. Co CrSc 19. Aplicacin de las tcnicas nucleares: NAA En casos reales se estudian muchos elementos a la vez, por lo que el hiperespacio tienemuchas dimensiones. La representacin de las muestras es una nube de puntos en un hiperespacio de mdimensiones. Ejemplo: Nube de puntos en un espacio de tres dimensiones (anlisis de 3 elementos). 20. Aplicacin de las tcnicas nucleares: NAA Mtodos estadsticos para realizar el agrupamiento: PCA (Principal Components Analysis) Mtodo recomendadoMediante transformaciones lineales, las dimensiones del problema se van reduciendo hasta unnmero de dimensiones relevantes. Por ejemplo, si tenemos 2 nubes de puntos muy biendiferenciadas en el hiperespacio, el hiperespacio del problema se pueden reducir hasta 2dimensiones. CA (Cluster Analysis)No recomendado En el mtodo CA, se determinan las distancias entre los puntos. Se define la distancia de agrupamiento, de modo que 2 puntos a una distancia inferior a la distancia de agrupamiento quedarn unidos en un solo punto de mayor tamao. De este modo se va produciendo el agrupamiento. i) Distancia entre un punto y el centro de agrupamiento ii)Distancia entre un punto y el vecino ms prximo de agrupamiento iii) Distancia entre un punto y el vecino ms lejano de agrupamiento iv)Distancia media entre un punto y todos los puntos del agrupamiento 21. Aplicacin de las tcnicas nucleares: NAA Con el anlisis CA obtenemos un diagrama de dos dimensiones (dendograma). En el ejevertical tenemos el mdulo de las distancias y en eje horizontal las muestras. Ejemplo: El siguiente dendograma sugiere las presencia de 3 tipos de muestra, grupo Eme A, grupo Eme B y grupo Soil7 (muestras patrn). Problemas del CA: 1) En general la interpretacin de los dendogramas es difcil. 2) Las concentraciones de cada elemento tienen incertidumbres diferentes, el CA no tieneen cuenta este hecho tan bien como el PCA. 22. Aplicacin de las tcnicas nucleares: NAA Identificacin de la procedencia Una vez que las muestras han sido agrupadas; se considera que todas las muestras de un mismo grupo han sido fabricadas a partir de un mismo yacimiento. En ocasiones se analizan distintos yacimientos de arcilla actuales para compararlos con las muestras, pero ello no da buenos resultados ya que estos han podido cambiar a lo largo del tiempo. En general slo es posible identificar el origen cuando se descubren hornos del taller junto con sus residuos, dichos residuos si que mantienen la composicin inicial de la arcilla y pueden ser comparadas con las muestras. 23. Ejemplo: Autenticidad de la cermica Marajoara Cermica Marajoara, originaria de la isla de Maraj, una pequea isla localizada en la boca del amazonas donde se form una de las sociedades indgenas preColombinas ms interesantes del continente americano. Las cermicas Marajoara han sido estudiadas desde el siglo XIX. Se realiz un trabajo colectivo entre el instituto de investigaciones energticas y nucleares de Sao Paulo, el museo de arqueologa y etnologa de la Universidad de Sao Paulo y la Universidad de Belm, Brasil, cuyo objetivo era determinar los parmetros que permiten determinar la autenticidad de las cermicas Marajoara. En el trabajo se analizaron 330 muestras de cermicas Marayoara encontradas en excavaciones arqueolgicas de la isla junto con 36 muestras de cermicas de imitacin. Las tcnicas nucleares aplicadas fueron el NAA (Neutron Activation Analysis) y ESR ( Electron Spin Resonance) 24. Ejemplo: Autenticidad de la cermica Marajoara La tcnica NAA realiza el anlisis qumico. Para ello determinar las concentraciones de loselementos de las cermicas. Una vez calculadas las concentraciones, por medio de anlisisestadstico PCA o DA se pretende determinar las diferencias entre las muestras. La tcnica ESR pretende determinar las temperaturas de cocido de las arcillas utilizadas en lascermicas Marajoara y en las contemporneas. Se estudia el espectro resultante de la ESR delFe3+, al calentar progresivamente las muestras a temperaturas entre los 100 y los 850 grados.La temperatura en la cual se observa el mayor pico de intensidad se considera que coincideaproximadamente con la temperatura de cocido de la muestra. 25. Ejemplo: Autenticidad de la cermica Marajoara Conclusiones a las que se llegaron: Con el NAA es viable verificar la autenticidad de las cermicas Marajoara mediante el anlisis de tan solo 6 elementos.IMITACINMarajoara 26. Ejemplo: Autenticidad de la cermica Marajoara Conclusiones a las que se llegaron: Los resultados del ESR mostr que la temperatura de cocido vara entre los 450 y 700grados tanto para las cermicas Marajoara y las contemporneas. Como consecuencia latemperatura de cocido no es un parmetro mediante el cual se pueda verificar laautenticidad de las cermicas. 27. BIBLIOGRAFIA IAEA Radiation Technology Series N. 2, Nuclear Techniques for Cultural HeritageResearch, (September 2011).