Análisis de piezas arqueológicas con la técnica PIXE

El ININ hoy
Análisis de piezas ARQUEOLÓGICAS
con la TÉCNICA PIXE1
Por Por Dolores Tenorio Castilleros ([email protected])
Por primera vez en México, se conjuntan técnicas
analíticas nucleares y convencionales con el
propósito de conocer los procesos de manufactura
de piezas prehispánicas. Por medio del acelerador
de partículas Tandem Van de Graaff del Instituto
Nacional de Investigaciones Nucleares (ININ) se
determinaron las composiciones elementales de
las piezas; y con un microscopio metalográfico
(también del ININ) se observaron evidencias que
permiten inferir el proceso de manufactura de
piezas metálicas. Los análisis realizados surgieron
a partir de una propuesta del Instituto Nacional
de Antropología e Historia.
Los resultados de dichos estudios, los primeros
que se llevan a cabo en el ININ con muestras
metálicas prehispánicas, demuestran un manejo
avanzado de la tecnología por parte de nuestros
antepasados, pues conocían la forma de mezclar
metales para obtener ciertas coloraciones
representativas de deidades como el Sol y la Luna.
Además de las técnicas analíticas atómicas (como
las efectuadas en un acelerador), en el ININ se
encuentra uno de los mejores laboratorios de
metalografía en México. Los microscopios
1
Este artículo de divulgación lleva el mismo nombre del artículo
elaborado por la doctora Dolores Tenorio Castilleros para el libro
Arqueometría, editado por Rodrigo Esparza López y Efraín Cárdenas
García, (Colegio de Michoacán, 2005). Cabe destacar que este libro
es el primero hecho en México, por autores mexicanos sobre este
tema
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Contacto Nuclear
metalográficos, comúnmente usados para el
control de calidad y producción en los procesos
industriales, son dispositivos que permiten hacer
mediciones en componentes mecánicos y
electrónicos, además de posibilitar el análisis
óptico de los metales.
De los resultados de esta investigación, lo más
sorprendente fue que con la técnica de
metalografía se determinó si las piezas fueron
fabricadas por la técnica a la cera perdida
(construir primero el molde de cera y luego hacer
el vaciado), o bien, por medio de martillado. Las
piezas que en las fotografías metalográficas
presentaban más detalles y se apreciaban
burbujas se manufacturaron por cera perdida; y
las que mostraban líneas y un aspecto más
burdo, por martillado. Esta diferencia no es
evidente a la vista, por lo que se requiere un
microscopio para observar la estructura del metal.
Al examinar una de las piezas tipo argolla con
el microscopio metalográfico se observó una
hebra de hilo, de lo que se infiere que la usaban
como adorno en la ropa.
En México existen pocas piezas metálicas
prehispánicas en virtud de que la mayor parte
de adornos o joyas fue fundida por los
conquistadores para llevar los metales preciosos
a España en forma de lingotes.
Por su parte, el uso de un acelerador (técnica
X
que se describirá más adelante) descubrió la
composición elemental de las muestras, que en
algunos casos se trataba de oro con mezclas de
plata y en otros de cobre con impurezas de
arsénico. Por la misma técnica se analizó la
composición química de obsidianas con lo que
fue posible determinar su lugar de procedencia.
Es importante señalar que en México únicamente
el ININ y el Instituto de Física de la UNAM
cuentan con aceleradores de partículas y, por lo
tanto, son las únicas instituciones capaces de
efectuar análisis elementales con la precisión
que permite este tipo de equipos.
A continuación se detallan los análisis efectuados
en el acelerador Tandem Van de Graaff del ININ
por medio de la técnica analítica PIXE.
Antecedentes
El manejo de técnicas nucleares para el análisis
de piezas arqueológicas se realizó por primera
vez en 1956 por los doctores Oppenheimer y
Dodsom, en Estados Unidos. Ellos escribieron
sobre de la gran utilidad del análisis por activación
neutrónica2 (AAN o NAA, por sus siglas en
inglés), técnica que requiere de un reactor
nuclear que podría considerarse como una
«fábrica» de los neutrones térmicos necesarios
para llevar a cabo este análisis.
Los primeros experimentos a través del AAN se
practicaron sobre cerámicas provenientes del
Mediterráneo a fin de conocer su composición
elemental e identificar el origen de su
manufactura, a partir de las relaciones entre sodio
y manganeso. Posteriormente se aplicaron otras
técnicas de estudio en materiales arqueológicos,
El Análisis por activación neutrónica consiste en exponer una
muestra al campo de neutrones de un reactor; al absorberlos, la
muestra se torna inestable y emite las radiaciones características de
los elementos que contiene. Luego las radiaciones se captan por
medio de detectores especiales y se identifica la composición de la
muestra con una precisión de partes por millón.
2
como la fluorescencia de rayos X, la espectroscopia
Mössbauer, la microscopía electrónica de barrido,
la técnica PIXE (particle induced X-ray emission),
entre otras. Los resultados de este artículo se
originaron a partir de esta última técnica.
La interacción de la radiación electromagnética
con la materia puede dar lugar a la formación de
lagunas o vacíos electrónicos en los átomos. El
proceso se acompaña de una liberación de
energía conocida como emisión de rayos X,
llamada así debido a que constituye una
combinación de energía electromagnética. Este
es el principio de la técnica PIXE o emisión de
rayos X inducida por protones.
Análisis de elementos traza por emisión
de rayos X inducida por protones
En los años 1970 Gordon y Kraner (1972)
demostraron que la emisión de rayos X inducida
por iones acelerados podría ser utilizada con
propósitos analíticos. Después Johansson y sus
colaboradores llevaron a cabo los primeros
experimentos con fines arqueológicos usando
protones como proyectiles. Probó que con una
cantidad pequeña de muestra (del orden de los
picogramos (10-12 g)) se puede determinar la
concentración de elementos.
Después de numerosos trabajos de investigación
en el análisis de materiales con diferentes
proyectiles, se demostró que la emisión de rayos
X producida con partículas cargadas abría un
extenso campo para el análisis de elementos en
concentraciones muy pequeñas.
La técnica PIXE presenta ciertas particularidades
que la hacen única en comparación con otras;
así, para el análisis de materiales arqueológicos
tenemos las siguientes características:
¿ Presenta una sensibilidad en el orden de
los picogramos.
¿ No es destructiva.
Contacto Nuclear
X
9
¿ Los materiales arqueológicos no quedan
radiactivos al finalizar el experimento.
¿ Se pueden hacer análisis multivariables
de elementos.
¿ Se pueden analizar materiales
arqueológicos de diferentes tamaños,
desde muestras de algunos centímetros
hasta materiales mayores a los 2 ó 3
metros.
3 MeV para analizar elementos de número
atómico mayor que el hierro.
Análisis de obsidianas con protones
Los elementos detectados en estos experimentos
fueron aluminio, silicio, cloro, potasio, calcio,
titanio, manganeso, hierro, níquel, cobre, zinc,
galio, rubidio, estroncio, itrio, zirconio, neodimio,
bario, plomo y torio. En este caso se detectaron
20 elementos cuyas concentraciones fueron
desde el 40% para el silicio, hasta la más baja
de 17 ppm (partes por millón) para el torio.
Un ejemplo típico de análisis de piezas
arqueológicas con el método PIXE es el que llevó
a cabo la autora de este artículo y sus
colaboradores (1997). En este trabajo se describe
el análisis de obsidianas provenientes de sitios
arqueológicos del Estado de México: Teotenango,
Calixtiahuaca, La Marquesa, Malinalco y Tonatico.
Al hacer el análisis estadístico de los datos
obtenidos en una gráfica ternaria (figura 1) en
la que se utilizaron tres elementos constituyentes
rubidio (Rb), estroncio (Sr) y zirconio (Zr), se
observó que las muestras se agrupan en tres
diferentes zonas, lo cual indica que provenían
de distintos yacimientos.
Las muestras de obsidiana se lavaron con una
solución de Extran (producto limpiador
concentrado) al 15% en un baño de ultrasonido,
se enjuagaron con agua destilada y se secaron
a temperatura ambiente. En el acelerador se
bombardearon con un haz de protones con una
energía de 2 MeV para analizar los elementos
de número atómico desde el aluminio hasta el
hierro (13 < Z > 26) y con un haz de protones de
Otros estudios sobre obsidianas se practicaron
con 20 puntas de proyectil, provenientes de la
costa del estado de Sinaloa, además de cinco
muestras de yacimientos de obsidiana del sector
occidental del eje neovolcánico. Como resultado
de esta investigación se detectaron el oxígeno y
el sodio. La figura 2 muestra un espectro típico
de rayos X de los elementos contenidos en gran
cantidad en las obsidianas: oxígeno, que se
encuentra en general en una proporción de 50%
en peso; el sodio varía de 1 a 4%; magnesio 2%;
aluminio 9%; y silicio 30%. Otros elementos como
azufre, fósforo, cloro, potasio, calcio, titanio,
vanadio, cromo, manganeso y fierro varían según
la procedencia del material.
Figura 1. Gráfica trivariable de rubidio, estroncio y circonio para
obsidianas provenientes del Estado de México
1 0 Contacto
Nuclear
El análisis estadístico de los valores en las
concentraciones de los elementos detectados y
su comparación con las muestras de los
yacimientos contribuyó a la identificación de la
procedencia de la obsidiana teniendo como
principales fuentes de abastecimiento los
yacimientos de Pénjamo y Abasolo, del estado
de Guanajuato.
Análisis de muestras con iones pesados
X
Figura 2. Espectro típico de rayos X de obsidianas obtenido al
bombardearlas con haz al aire de protones de 3 MeV
Cuando se quiere analizar ciertos elementos sin
excitar a otros presentes en la misma muestra,
se utilizan iones pesados, pues se puede hacer
una ionización selectiva.
Para ilustrar este fenómeno físico se puede citar
el análisis de cerámicas provenientes del Templo
Mayor de Tenochtitlán. Estas cerámicas presentan
una capa gruesa de arcilla cocida recubierta de
un engobe3 delgado de color rojo. El análisis
con PIXE reveló la presencia de arsénico en el
En alfarería, pasta de arcilla que se aplica a los objetos
de barro, antes de cocerlos, para darles una superficie lisa
y vidriada.
3
engobe, pero los espectros correspondientes a
la arcilla son similares a los de otros elementos,
aunque no fue posible concluir cuál es la
composición del engobe, dado que el haz de
protones lo atraviesa y excita los elementos del
sustrato.
Teniendo en cuenta la penetración de los iones
pesados en la muestra y dependiendo su
mecanismo de ionización, es posible analizar
capas superficiales muy delgadas del orden de
micrones, como en el ejemplo citado. De acuerdo
con esto, se concluyó que el arsénico formaba
parte del pigmento rojo que recubría la cerámica
y no formaba parte de la arcilla. L
FE DE ERRATAS
En la edición 46 de Contacto Nuclear se publicó el artículo Chernobyl, 2 décadas: los datos duros de
Juan Enrique García Ramírez. A solicitud del propio autor se hacen las siguientes precisiones:
UBICACIÓN
DICE:
DEBE DECIR:
Página
Párrafo
Renglón
24
1
7
"tera watts/hora"
25
8
7
"(por ejemplo, algunos a varios kilómetros "(i.e. a kilómetros de distancia del
de distancia del reactor dañado)"
reactor dañado)"
27
1
12
"(por ejemplo, sin la exposición derivada
del accidente)"
"(i.e. sin la exposición derivada del
accidente)"
27
2
11
"(por ejemplo, 5.0 X 10-7)"
"(i.e. 5.0 X 10-7)
28
3
7
"espectativas de vida "
"esperanzas de vida"
"tera watts hora"
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