NATUURWETENSCHAPPEN EN ARCHEOLOGIE
DEEL ARCHEOMETRIE – PATRICK DEGRYSE (ANORGANISCHE MATERIALEN)
Enkele termen of begrippen uitleggen.
Onderzoeksstrategie omtrent één van de materiaal-categorieën.
Analysetechniek (puur tabel). Vergelijk twee methoden bijv. ICP-OES en XRF qua
werking en kwaliteit.
INLEIDING: ENERGIE, EM-STRALING, ATOMEN
Energie is de capaciteit van een systeem om warmte, licht of beweging te produceren,
maar wordt ook aangeduid als de mogelijkheid om arbeid te verrichten. Arbeid is de
omzetting van energie van een ene vorm naar een andere vorm. Dus energie ontstaat
niet en wordt niet verbruikt; het past zich aan. Bijvoorbeeld: chemische energie uit
voedsel -> vertering, afbreken in kleinere stoffen -> via bloed in spieren, chemische
energie naar kinetische energie/beweging + deel energie verloren in thermische
energie/warmte door wrijving in spieren => energie verdwijnt niet, maar wordt omgezet.
Elektromagnetische straling is een vorm van energie die ontstaat door de voortplanting
van elektrische en magnetische trillingen doorheen de ruimte. In tegenstelling tot
bijvoorbeeld geluidsgolven, die een medium zoals lucht nodig hebben om zich voort te
planten, kan
EM-straling zich
ook
voortbewegen
doorheen het
vacuüm van het
geheel – en dat
met een
snelheid van
ongeveer
300.000 km/s (lichtsnelheid). => elektromagnetisch spectrum.
Iedere straling heeft drie fundamentele eigenschappen:
Frequentie & golflengte (voortplanting van trillingen).
Energie = deeltjes of photonen: energiepakketjes zonder rustmassa (hoeveel materie,
hoe zwaar het is en hoe moeilijk het in beweging te brengen is). Dat betekent dat het
geen massa heeft als het in rust is – maar… een photon is nooit in rust. Het bevat
energie en beweegt altijd met lichtsnelheid. Dit veroorzaakt interactie met materie,
, chemische processen worden in gang gezet: minder effect bij lagere frequentie (niet-
ioniserend, excitatie van atomen) & meer effect bij hogere frequentie (ioniserend).
Maar photonen maken ook iets veel alledaagser mogelijk: zien. Licht, bestaande uit
photonen of energie, raakt een object waarbij een deel wordt geabsorbeerd (object
krijgt kleur), een deel wordt doorgelaten (transmissie), en een deel wordt weerkaatst
(reflectie). Die weerkaatste energie bereikt uiteindelijk ons oog, waarvan de
lichtgevoelige cellen op specifieke golflengtes van zichtbaar licht reageren – het
gedeelte van het spectrum dat we kunnen waarnemen. Onze hersenen vertalen deze
signalen naar kleuren, vormen en contrasten.
Molecule: groep atomen die chemisch verbonden zijn, de bouwstenen van verbindingen.
Een scheikundig element is een zuivere stof die bestaat uit atomen met hetzelfde
atoomnummer. Een atoom is de kleinste bouwsteen van een scheikundig element
bestaande uit: positief geladen en massa-bevattende
protonen + niet geladen en massa-bevattende
neutronen bevinden zich in de kern & negatief geladen
en niet-massa-bevattende elektronen bewegen in acht
schillen/orbitalen rond de kern (energiepakketjes).
Negatief trekt positief aan, waardoor niets wegvliegt.
Het aantal protonen in de kern bepaalt het
atoomnummer (Z) van het element. Hierbij komt kijken
dat het aantal elektronen altijd gelijk is aan het aantal protonen = elektrisch neutraal.
De som van protonen en neutronen in de kern bepaalt het massagetal (A), hoe zwaar het
is.
Isotoop: atoom van hetzelfde element die verschilt in het aantal neutronen.
Bijvoorbeeld: het element aluminium (Al) heeft een atoomnummer 13 en een
massagetal 27. Hierdoor weten we dat er 13 protonen aanwezig zijn in de kern en
zich 13 elektronen bevinden op de schillen. De totale massa wordt gevormd door de
protonen en neutronen dus zijn er 14 neutronen aanwezig in de kern.
Soms hoor je zeggen dat een element een ‘ander gewicht’ kan hebben. Bijvoorbeeld:
het element koolstof (C). De meest voorkomende koolstofisotoop is ¹²C: 6 protonen en
6 neutronen → massagetal 12. Daarnaast bestaat er ook ¹³C: 6 protonen en 7
neutronen → massagetal 13. En een zeldzame, maar heel belangrijke isotoop is ¹⁴C: 6
protonen en 8 neutronen → massagetal 14. Deze ¹⁴C-isotoop is radioactief, wat
betekent dat hij na verloop van tijd spontaan vervalt. Precies dát verval maakt het
mogelijk om radioactieve koolstofdatering toe te passen, een techniek waarmee
archeologen de ouderdom van organisch materiaal kunnen bepalen.
, Aspecten van het EM-spectrum en studie van atomen gebruiken om objecten te
analyseren.
BEELDVORMINGS- EN ANALYSEMETHODEN VAN ANORGANISCH-
ARCHEOLOGISCH MATERIAAL
Een uitwerking van de te volgen essentiële stappen.
Een eerste stap: archeologische vraagstelling. Het uiteindelijke doel is om het traject (de
chaîne opératoire) van een archeologisch artefact (nw: object) te reconstrueren. Dit laat
toe om interregionale netwerken van handel en interacties tussen mensen/culturen
(innovatie, overdracht en verspreiding van technieken) in kaart te brengen. Een
randvoorwaarde binnen de archeologisch-natuurwetenschappelijke analyse is dat het
object een mineralogische-chemisch-isotopische samenstelling heeft. Twee belangrijke
invalshoeken. Bij herkomstbepaling proberen te achterhalen vanwaar het materiaal
afkomstig is (grondstofbron of origine plaats/productiecentrum). Het herkomstpostulaat
stelt dat er meetbare verschillen bestaan tussen natuurlijke grondstoffen (klei,
mineralen, metaalertsen), en dat deze verschillen groter zijn tussen bronnen dan binnen
eenzelfde bron. Als de samenstelling/eigenschappen van een object overeenkomt met
die van een gekende grondstofbron, dan is dat object compatibel met die bron en
kunnen we andere bronnen uitsluiten = uitsluitingsmethode. Maar omdat niet alle
mogelijke bronnen gekend zijn, kunnen we nooit met absolute zekerheid een herkomst
toewijzen. Bij productiebepaling proberen te achterhalen met welke technieken het
object gemaakt is. Technologische variatie wordt geïnterpreteerd als zowel individuele
keuzes van ambachtslieden als bredere culturele tradities, economische mogelijkheden
of externe invloeden.
Een tweede stap: methoden kiezen op basis van beschikbaar budget, beschikbare tijd,
werking, vereiste nauwkeurigheid/kwaliteit*, mogelijkheden voor staalname** en mate
van destructiviteit die acceptabel is. Pas op met vooringenomenheid, anders vertekende
resultaten.
*Foutenmarge moet klein genoeg zijn om resultaten te vergelijken met die van andere
laboratoria. Precisie = herhaalbaarheid, herhaalde metingen van eenzelfde staal onder
telkens dezelfde omstandigheden leveren gelijkaardige resultaten op. Accuraatheid =
nauwkeurigheid, hoe dicht het resultaat bij de werkelijke waarde ligt. Beide worden
gecontroleerd en gekalibreerd met standaarden waarvan de eigenschappen gekend zijn.
, Detectielimiet = de kleinste (kleiner gaat op in achtergrondruis) of grootste (groter heeft
te veel onduidelijke signalen) hoeveelheid die nog betrouwbaar kan worden gemeten.
**Bij invasieve methoden wordt een staal genomen (moet representatief zijn voor het
geheel om zinvolle uitspraken te doen). Er zijn drie manieren om stalen te selecteren:
willekeurig, systematisch (bv. elk derde object) of gericht (o.b.v. kenmerken). Het kan
zowel destructief zijn waarbij het staal na analyse niet langer bruikbaar is, als niet-
destructief waarbij het staal na analyse wel bruikbaar blijft (pas op voor
staalcontaminatie). Bij niet-invasieve methoden wordt geen staal genomen. Het gaat om
een rechtstreekse niet-destructieve analyse van kleine objecten die naar het labo
gebracht worden, of grote objecten die in situ met draagbare apparatuur worden
onderzocht.
Een derde stap: een uitwerking van de verdere stappen per materiaalcategorie.
GESTEENTEN bestaan uit een combinatie van mineralen die als homogene, vaste stoffen
in de natuur voorkomen met een specifieke chemisch-fysische samenstelling, en een
interne kristallijne structuur. Hun samenstelling blijft stabiel na bewerking, dus stenen
objecten zijn relatief eenvoudig te analyseren = één op één relatie met grondstofbron
(steengroeve) voor herkomstbepaling.
a. Macroscopisch niveau: object gevonden in bepaalde context. Met het blote oog
dan een inschatting maken van het gesteentetype op basis van uiterlijk. Dit
vergelijken met gekende regionale-geologische kaarten of gekende stenen
vondsten uit de regio om een mogelijke herkomst van steengroeven voor te
stellen -> hypothese-bevestiging nodig.
b. Beeldvormingsniveau: met lichtmicroscopie (doorvallend licht) wordt een dun
slijpplaatje met het gesteente onderzocht om de microstructuur te bestuderen,
topografisch-mineralogisch beeld = petrografie. Deze methode is snel, relatief
goedkoop en niet-destructief maar vereist wel invasieve staalvoorbereiding, heeft
beperkte resolutie (ca. 10 micrometer) en vereist kennis van minerale
eigenschappen.
c. Moleculair niveau: niet relevant want informatie zit vervat in vorig en volgend
niveau.
d. Atomair niveau: chemisch-elementaire samenstelling van mineralen analyseren.
XRF bestraalt een monster met röntgenstralen waarna atomen ioniseren en
fluoresceren, en secundaire straling uitzenden (golflengte typisch voor element,
intensiteit typisch voor hoeveel van dat element). Het is invasief (verpoederen)
maar niet destructief. ED-XRF is goedkoop en snel want meet heel spectrum
tegelijk, maar biedt een lagere resolutie. WD-XRF biedt een hogere resolutie, maar
is traag en duur want meet per golflengte. ED-XRF bepaalt hoofdelementen, WD-
DEEL ARCHEOMETRIE – PATRICK DEGRYSE (ANORGANISCHE MATERIALEN)
Enkele termen of begrippen uitleggen.
Onderzoeksstrategie omtrent één van de materiaal-categorieën.
Analysetechniek (puur tabel). Vergelijk twee methoden bijv. ICP-OES en XRF qua
werking en kwaliteit.
INLEIDING: ENERGIE, EM-STRALING, ATOMEN
Energie is de capaciteit van een systeem om warmte, licht of beweging te produceren,
maar wordt ook aangeduid als de mogelijkheid om arbeid te verrichten. Arbeid is de
omzetting van energie van een ene vorm naar een andere vorm. Dus energie ontstaat
niet en wordt niet verbruikt; het past zich aan. Bijvoorbeeld: chemische energie uit
voedsel -> vertering, afbreken in kleinere stoffen -> via bloed in spieren, chemische
energie naar kinetische energie/beweging + deel energie verloren in thermische
energie/warmte door wrijving in spieren => energie verdwijnt niet, maar wordt omgezet.
Elektromagnetische straling is een vorm van energie die ontstaat door de voortplanting
van elektrische en magnetische trillingen doorheen de ruimte. In tegenstelling tot
bijvoorbeeld geluidsgolven, die een medium zoals lucht nodig hebben om zich voort te
planten, kan
EM-straling zich
ook
voortbewegen
doorheen het
vacuüm van het
geheel – en dat
met een
snelheid van
ongeveer
300.000 km/s (lichtsnelheid). => elektromagnetisch spectrum.
Iedere straling heeft drie fundamentele eigenschappen:
Frequentie & golflengte (voortplanting van trillingen).
Energie = deeltjes of photonen: energiepakketjes zonder rustmassa (hoeveel materie,
hoe zwaar het is en hoe moeilijk het in beweging te brengen is). Dat betekent dat het
geen massa heeft als het in rust is – maar… een photon is nooit in rust. Het bevat
energie en beweegt altijd met lichtsnelheid. Dit veroorzaakt interactie met materie,
, chemische processen worden in gang gezet: minder effect bij lagere frequentie (niet-
ioniserend, excitatie van atomen) & meer effect bij hogere frequentie (ioniserend).
Maar photonen maken ook iets veel alledaagser mogelijk: zien. Licht, bestaande uit
photonen of energie, raakt een object waarbij een deel wordt geabsorbeerd (object
krijgt kleur), een deel wordt doorgelaten (transmissie), en een deel wordt weerkaatst
(reflectie). Die weerkaatste energie bereikt uiteindelijk ons oog, waarvan de
lichtgevoelige cellen op specifieke golflengtes van zichtbaar licht reageren – het
gedeelte van het spectrum dat we kunnen waarnemen. Onze hersenen vertalen deze
signalen naar kleuren, vormen en contrasten.
Molecule: groep atomen die chemisch verbonden zijn, de bouwstenen van verbindingen.
Een scheikundig element is een zuivere stof die bestaat uit atomen met hetzelfde
atoomnummer. Een atoom is de kleinste bouwsteen van een scheikundig element
bestaande uit: positief geladen en massa-bevattende
protonen + niet geladen en massa-bevattende
neutronen bevinden zich in de kern & negatief geladen
en niet-massa-bevattende elektronen bewegen in acht
schillen/orbitalen rond de kern (energiepakketjes).
Negatief trekt positief aan, waardoor niets wegvliegt.
Het aantal protonen in de kern bepaalt het
atoomnummer (Z) van het element. Hierbij komt kijken
dat het aantal elektronen altijd gelijk is aan het aantal protonen = elektrisch neutraal.
De som van protonen en neutronen in de kern bepaalt het massagetal (A), hoe zwaar het
is.
Isotoop: atoom van hetzelfde element die verschilt in het aantal neutronen.
Bijvoorbeeld: het element aluminium (Al) heeft een atoomnummer 13 en een
massagetal 27. Hierdoor weten we dat er 13 protonen aanwezig zijn in de kern en
zich 13 elektronen bevinden op de schillen. De totale massa wordt gevormd door de
protonen en neutronen dus zijn er 14 neutronen aanwezig in de kern.
Soms hoor je zeggen dat een element een ‘ander gewicht’ kan hebben. Bijvoorbeeld:
het element koolstof (C). De meest voorkomende koolstofisotoop is ¹²C: 6 protonen en
6 neutronen → massagetal 12. Daarnaast bestaat er ook ¹³C: 6 protonen en 7
neutronen → massagetal 13. En een zeldzame, maar heel belangrijke isotoop is ¹⁴C: 6
protonen en 8 neutronen → massagetal 14. Deze ¹⁴C-isotoop is radioactief, wat
betekent dat hij na verloop van tijd spontaan vervalt. Precies dát verval maakt het
mogelijk om radioactieve koolstofdatering toe te passen, een techniek waarmee
archeologen de ouderdom van organisch materiaal kunnen bepalen.
, Aspecten van het EM-spectrum en studie van atomen gebruiken om objecten te
analyseren.
BEELDVORMINGS- EN ANALYSEMETHODEN VAN ANORGANISCH-
ARCHEOLOGISCH MATERIAAL
Een uitwerking van de te volgen essentiële stappen.
Een eerste stap: archeologische vraagstelling. Het uiteindelijke doel is om het traject (de
chaîne opératoire) van een archeologisch artefact (nw: object) te reconstrueren. Dit laat
toe om interregionale netwerken van handel en interacties tussen mensen/culturen
(innovatie, overdracht en verspreiding van technieken) in kaart te brengen. Een
randvoorwaarde binnen de archeologisch-natuurwetenschappelijke analyse is dat het
object een mineralogische-chemisch-isotopische samenstelling heeft. Twee belangrijke
invalshoeken. Bij herkomstbepaling proberen te achterhalen vanwaar het materiaal
afkomstig is (grondstofbron of origine plaats/productiecentrum). Het herkomstpostulaat
stelt dat er meetbare verschillen bestaan tussen natuurlijke grondstoffen (klei,
mineralen, metaalertsen), en dat deze verschillen groter zijn tussen bronnen dan binnen
eenzelfde bron. Als de samenstelling/eigenschappen van een object overeenkomt met
die van een gekende grondstofbron, dan is dat object compatibel met die bron en
kunnen we andere bronnen uitsluiten = uitsluitingsmethode. Maar omdat niet alle
mogelijke bronnen gekend zijn, kunnen we nooit met absolute zekerheid een herkomst
toewijzen. Bij productiebepaling proberen te achterhalen met welke technieken het
object gemaakt is. Technologische variatie wordt geïnterpreteerd als zowel individuele
keuzes van ambachtslieden als bredere culturele tradities, economische mogelijkheden
of externe invloeden.
Een tweede stap: methoden kiezen op basis van beschikbaar budget, beschikbare tijd,
werking, vereiste nauwkeurigheid/kwaliteit*, mogelijkheden voor staalname** en mate
van destructiviteit die acceptabel is. Pas op met vooringenomenheid, anders vertekende
resultaten.
*Foutenmarge moet klein genoeg zijn om resultaten te vergelijken met die van andere
laboratoria. Precisie = herhaalbaarheid, herhaalde metingen van eenzelfde staal onder
telkens dezelfde omstandigheden leveren gelijkaardige resultaten op. Accuraatheid =
nauwkeurigheid, hoe dicht het resultaat bij de werkelijke waarde ligt. Beide worden
gecontroleerd en gekalibreerd met standaarden waarvan de eigenschappen gekend zijn.
, Detectielimiet = de kleinste (kleiner gaat op in achtergrondruis) of grootste (groter heeft
te veel onduidelijke signalen) hoeveelheid die nog betrouwbaar kan worden gemeten.
**Bij invasieve methoden wordt een staal genomen (moet representatief zijn voor het
geheel om zinvolle uitspraken te doen). Er zijn drie manieren om stalen te selecteren:
willekeurig, systematisch (bv. elk derde object) of gericht (o.b.v. kenmerken). Het kan
zowel destructief zijn waarbij het staal na analyse niet langer bruikbaar is, als niet-
destructief waarbij het staal na analyse wel bruikbaar blijft (pas op voor
staalcontaminatie). Bij niet-invasieve methoden wordt geen staal genomen. Het gaat om
een rechtstreekse niet-destructieve analyse van kleine objecten die naar het labo
gebracht worden, of grote objecten die in situ met draagbare apparatuur worden
onderzocht.
Een derde stap: een uitwerking van de verdere stappen per materiaalcategorie.
GESTEENTEN bestaan uit een combinatie van mineralen die als homogene, vaste stoffen
in de natuur voorkomen met een specifieke chemisch-fysische samenstelling, en een
interne kristallijne structuur. Hun samenstelling blijft stabiel na bewerking, dus stenen
objecten zijn relatief eenvoudig te analyseren = één op één relatie met grondstofbron
(steengroeve) voor herkomstbepaling.
a. Macroscopisch niveau: object gevonden in bepaalde context. Met het blote oog
dan een inschatting maken van het gesteentetype op basis van uiterlijk. Dit
vergelijken met gekende regionale-geologische kaarten of gekende stenen
vondsten uit de regio om een mogelijke herkomst van steengroeven voor te
stellen -> hypothese-bevestiging nodig.
b. Beeldvormingsniveau: met lichtmicroscopie (doorvallend licht) wordt een dun
slijpplaatje met het gesteente onderzocht om de microstructuur te bestuderen,
topografisch-mineralogisch beeld = petrografie. Deze methode is snel, relatief
goedkoop en niet-destructief maar vereist wel invasieve staalvoorbereiding, heeft
beperkte resolutie (ca. 10 micrometer) en vereist kennis van minerale
eigenschappen.
c. Moleculair niveau: niet relevant want informatie zit vervat in vorig en volgend
niveau.
d. Atomair niveau: chemisch-elementaire samenstelling van mineralen analyseren.
XRF bestraalt een monster met röntgenstralen waarna atomen ioniseren en
fluoresceren, en secundaire straling uitzenden (golflengte typisch voor element,
intensiteit typisch voor hoeveel van dat element). Het is invasief (verpoederen)
maar niet destructief. ED-XRF is goedkoop en snel want meet heel spectrum
tegelijk, maar biedt een lagere resolutie. WD-XRF biedt een hogere resolutie, maar
is traag en duur want meet per golflengte. ED-XRF bepaalt hoofdelementen, WD-
