ฟิสิกส์กับโบราณคดี ตอนที่ 2 การวิเคราะห์หลักฐานทางโบราณคดี

           

โบราณสถานนครวัด ประเทศกัมพูชา (ภาพถ่ายโดย Kheng Vungvuthy)

 

การนำเครื่องสแกนด้วยเลเซอร์แบบสามมิติมาตรวจสอบโบราณวัตถุ
ที่มา http://oregonstate.edu/psal/constructing-three-dimensional-digital-models-small-objects-laser-method

              เนื่องจากกล้องถ่ายรูปไม่สามารถมองเห็นรายละเอียดขนาดเล็กบนพื้นผิวของโบราณวัตถุได้ นักโบราณคดีจึงต้องใช้กล้องจุลทรรศน์ (Microscope) เข้ามาเป็นตัวช่วย กล้องจุลทรรศน์ที่ใช้กันทั่วไปเรียกว่า กล้องจุลทรรศน์เชิงแสง (Optical Microscope) ซึ่งใช้คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าเป็นสื่อกลางในการมองภาพ แต่เนื่องจากประสิทธิภาพของกล้องจุลทรรศน์เชิงแสงถูกจำกัดไว้ด้วยความยาวคลื่นของแสง กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอน (Electron Microscope) จึงเข้ามามีบทบาทในภายหลัง โดยแบ่งออกเป็น 2 แบบ คือ


          1. กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องผ่าน (Transmission Electron Microscope หรือ TEM) มีหลักการทำงานคือส่งลำอิเล็กตรอนออกจากแหล่งกำเนิดและระบบอาศัยเลนส์แม่เหล็กไฟฟ้าในการควบคุมลำอิเล็กตรอนเพื่อส่องผ่านและขยายภาพของวัตถุก่อนเข้าสู่จอรับภาพ มีข้อจำกัดคือต้องจัดเตรียมวัตถุตัวอย่างให้มีความบางในระดับนาโนเมตรและให้ภาพวัตถุแบบสองมิติ


          2. กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องกราด (Scanning Electron Microscope หรือ SEM) เป็นกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนที่มีบทบาทสำคัญในการศึกษาพื้นผิวอย่างละเอียดของโบราณวัตถุ มีส่วนประกอบสำคัญคือ ปืนอิเล็กตรอน (Electron Gun) ซึ่งเป็นแหล่งกำเนิดอิเล็กตรอนปฐมภูมิ, เลนส์แม่เหล็กไฟฟ้า (Electromagnetic Lens) เป็นระบบเลนส์สำหรับควบคุมขนาดของลำอิเล็กตรอน, ที่วางวัตถุตัวอย่าง (Sample Stage) เป็นอุปกรณ์สำหรับวางวัตถุที่มีรูปร่างและขนาดตามความเหมาะสม และอุปกรณ์ตรวจจับ (Detector) ทำหน้าที่ตรวจจับสัญญาณอิเล็กตรอนทุติยภูมิ (Secondary Electron) อิเล็กตรอนกระเจิงกลับ (Scattering Electron) และรังสีเอกซ์ (X-Ray) ที่เกิดจากอันตรกิริยา (Interaction) ระหว่างอิเล็กตรอนปฐมภูมิ (Primary Electron) กับอะตอมของธาตุ กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องกราดสามารถนำมาใช้งานร่วมกับอุปกรณ์ที่เรียกว่า Energy-Dispersive X-ray Spectroscopy (EDS หรือ EDX) ซึ่งใช้สำหรับจำแนกสัญญาณของรังสีเอกซ์ลักษณะจำเพาะ (Characteristic X-Ray) ของธาตุแต่ละชนิด โดยอาศัยหลักการที่ว่าเมื่อรังสีเอกซ์ปะทะกับสารตัวอย่าง อิเล็กตรอนวงในของอะตอมจะหลุดออกมา ทำให้อิเล็กตรอนวงนอกเคลื่อนตัวลงมาแทนที่แล้วปลดปล่อยรังสีเอกซ์ลักษณะจำเพาะออกมา

การวิเคราะห์วัตถุตัวอย่างด้วย SEM-EDS
ที่มา http://schmid.mygoodpage.org/wordpress/scanning-electron-microscopy-sem/

 

              เมื่อทราบรูปร่างและลักษณะของพื้นผิวของหลักฐานทางโบราณคดีเรียบร้อยแล้ว ลำดับถัดไปคือการหาว่าหลักฐานทางโบราณคดีดังกล่าวมีอะไรเป็นส่วนประกอบอยู่บ้าง เนื่องจากหลักฐานทางโบราณคดีประกอบขึ้นจากแร่และธาตุหลากหลายชนิด ความรู้วิชาผลึกศาสตร์ (Crystallography) จึงเข้ามามีบทบาท เนื่องจากผลึกประกอบด้วยกลุ่มของอะตอมที่มีลักษณะเหมือนกันเรียกว่า แลตทิซ (Lattice) นักวิทยาศาสตร์จึงสามารถใช้วิธีที่เรียกว่า การเลี้ยวเบนของรังสีเอกซ์ (X-Ray Diffraction หรือ XRD) ซึ่งเป็นการวิเคราะห์ระนาบของอะตอมภายในโครงสร้างผลึกโดยใช้การเลี้ยวเบนของรังสีเอกซ์ตามกฎของแบรกก์ (Bragg’s Law)

 

หลักการของ XRD
ที่มา https://wiki.anton-paar.com/en/x-ray-diffraction-xrd/

           นอกจากวิธี XRD การวาวรังสีเอกซ์ (X-Ray Fluorescence หรือ XRF) ก็เป็นอีกวิธีหนึ่งที่ใช้ในการวิเคราะห์ธาตุภายในวัตถุตัวอย่างโดยอาศัยอันตรกิริยาระหว่างรังสีเอกซ์กับสสาร ซึ่งการวิเคราะห์ด้วยวิธี XRF มีอยู่ 2 ระบบ คือ ระบบกระจายความยาวคลื่น (Wavelength Dispersion System หรือ WDS) โดยรังสีเอกซ์จะถูกส่งไปยังสารตัวอย่างเพื่อทำให้เกิดอันตรกิริยา จากนั้นจึงประมวลผลจากความยาวคลื่นของรังสีเอกซ์จากวัตถุตัวอย่างที่สามารถตรวจวัดได้ ส่วนอีกระบบหนึ่งก็คือ EDS ดังที่ได้กล่าวไปแล้ว

 

หลักการของ XRF (ภาพโดย Francisco Javier Aparicio Rebollo)

 

          นอกจาก XRD และ XRF ก็ยังมีวิธีการวิเคราะห์ธาตุอีกหลายแบบ เช่น


          1. Atomic Absorption Spectroscopy (AAS) เป็นวิธีที่อาศัยหลักการดูดกลืนคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าของอะตอม กล่าวคืออะตอมของธาตุแต่ละชนิดจะมีการดูดกลืนคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่มีค่าเฉพาะตัวโดยไม่ดูดกลืนคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าในช่วงความยาวคลื่นอื่น โดยปริมาณของการดูดกลืนที่ความยาวคลื่นค่าดังกล่าวจะแปรผันตรงกับจำนวนของอะตอมหรือความเข้มข้นของธาตุ ซึ่งการทำให้ธาตุแตกตัวเป็นอะตอมอาจกระตุ้นด้วยการใช้เปลวไฟ กระแสไฟฟ้า ไฮไดรด์ และการระเหยเป็นไอ


          2. Atomic Emission Spectroscopy (AES) เป็นวิธีที่ทำให้อิเล็กตรอนของสสารเปลี่ยนจากสถานะพื้น (Ground State) ไปสู่สถานะถูกกระตุ้น (Excited State) ด้วยเปลวไฟ กระแสไฟฟ้า และพลาสมา ซึ่งอะตอมหรือโมเลกุลของสสารจะปลดปล่อยพลังงานออกมาในรูปของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่มีลักษณะจำเพาะ


          3. Inductively Coupled Plasma (ICP) เป็นการวิเคราะห์ธาตุโดยการกระตุ้นให้ธาตุแตกตัวด้วยพลาสมา หากนำ ICP มาใช้งานร่วมกับ AES ก็จะเรียกว่า ICP-AES ซึ่งในระบบจะประกอบด้วยเครื่องผลิตพลาสมา เครื่องควบคุมแก๊ส เครื่องควบคุมฝอยละอองของสารตัวอย่าง เครื่องแยกสเปกตรัม และเครื่องประมวลผล นอกจากนี้ยังมีวิธีที่เรียกว่า Inductively Coupled Plasma-Mass Spectroscopy (ICP-MS) โดยอาศัยพลาสมาอุณหภูมิสูงเพื่อทำให้สารตัวอย่างกลายเปลี่ยนเป็นไอออน จากนั้นไอออนดังกล่าวจะถูกส่งไปยังเครื่องวิเคราะห์มวล (Mass Analyzer) และเครื่องตรวจวัดไอออน (Ion Detector)

 

หลักการทำงานของ ICP-MS (ภาพโดย M. Aceto)

 

          4. Proton Induced X-Ray Emission (PIXE) เป็นการวิเคราะห์ธาตุด้วยลำอนุภาค (Ion Beam Analysis หรือ IBA) วิธีนี้มีหลักการว่าจะต้องวางสารตัวอย่างที่ถูกทำให้เป็นแผ่นบางลงในห้องวางเป้า (Chamber) ซึ่งเชื่อมต่อโดยตรงอยู่กับเครื่องเร่งอนุภาค (Particle Accelerator) จากนั้นจึงทำการเร่งลำของอนุภาคให้เข้าชนกับสารตัวอย่างเพื่อทำให้อะตอมแตกตัวเป็นไอออนโดยการปลดปล่อยอิเล็กตรอนวงในเพื่อให้อิเล็กตรอนวงนอกเคลื่อนตัวลงมาแทนที่ แล้วปลดปล่อยรังสีเอกซ์ลักษณะจำเพาะออกมา


          5. Chromatography เป็นวิธีที่อาศัยการกระจายตัวของสารแบบสองเฟส (Phase) โดยเฟสแรกจะเรียกว่า เฟสอยู่นิ่ง (Stationary Phase) ที่อาจเป็นของแข็งหรือของเหลวที่บรรจุอยู่ในบริเวณสำหรับแยกสารตัวอย่าง (Column) ส่วนอีกเฟสหนึ่งเรียกว่า เฟสเคลื่อนที่ (Mobile Phase) ที่อาจเป็นของเหลวหรือแก๊สซึ่งทำหน้าที่นำพาสารตัวอย่างให้เคลื่อนที่ไปพร้อมกัน เมื่อทั้งสองเฟสเคลื่อนที่ผ่านกันก็จะทำให้ส่วนประกอบของสารตัวอย่างถูกแยกออกมา โดยสารแต่ละชนิดจะมีการเคลื่อนที่ในระยะทางที่แตกต่างกันขึ้นอยู่กับขนาดของโมเลกุลและอัตราการทำปฏิกิริยา จากนั้นจึงนำสารตัวอย่างที่ถูกแยกออกมาไปวิเคราะห์หาชนิดและปริมาณ วิธีโครมาโทกราฟีมีหลายรูปแบบ เช่น Paper Chromatography (PC), Thin Layer Chromatography (TLC), High Performance Liquid Chromatography (HPLC), Liquid Chromatography-Mass Spectrometry (LC-MS) และ Gas Chromatography-Mass Spectrometry (GC-MS) เป็นต้น

 

หลักการทำงานของ GC-MS (ภาพโดย K. Murray)

 

           การวิเคราะห์รูปร่าง ลักษณะของพื้นผิว และส่วนประกอบทางเคมียังมีอีกหลายแบบ แต่เนื่องจากแต่ละแบบมีรายละเอียดค่อนข้างมาก ผู้เขียนจึงขอเล่าหลักการแบบย่นย่อ เช่น


          1. Atomic Force Microscopy (AFM) เป็นกล้องจุลทรรศน์รูปแบบหนึ่งที่นิยมใช้ศึกษาพื้นผิวของวัตถุ มีหลักการทำงานโดยอาศัยแรงกระทำระหว่างหัววัดที่มีลักษณะเป็นเข็มขนาดนาโนเมตรกับพื้นผิวของวัตถุซึ่งมีแสงเลเซอร์ทำหน้าที่ตรวจจับการเคลื่อนที่และแรงที่กระทำกับหัววัด แสงเลเซอร์จะเดินทางไปที่เครื่องตรวจวัดแสงเพื่อแปลงข้อมูลเชิงแสงเป็นข้อมูลภาพของพื้นผิววัตถุ


          2. Luminescence Spectroscopy เป็นวิธีที่อาศัยหลักการว่าสสารที่ดูดกลืนพลังงานจะทำให้โมเลกุลอยู่ในสถานะถูกกระตุ้นและมีการปลดปล่อยพลังงานออกมาในรูปของการวาวแสง (Fluorescence) และการเรืองแสง (Phosphorescence) ที่มีลักษณะจำเพาะเพื่อกลับไปอยู่ในสถานะพื้น


          3. Ultraviolet and Visible Spectroscopy (UV-VIS) เป็นวิธีที่อาศัยหลักการดูดกลืนและการทะลุผ่านของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าในช่วงอัลตราไวโอเล็ตและช่วงที่ตามองเห็นภายในวัตถุตัวอย่าง โดยสเปกตรัมส่วนหนึ่งที่หายไปจะกลายเป็นพลังงานที่ถูกใช้ในการทำให้อะตอมหรือโมเลกุลเปลี่ยนจากสถานะพื้นไปยังสถานะถูกกระตุ้น ซึ่งปริมาณของการดูดกลืนคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าจะแปรผันตรงกับความเข้มข้นของสารตามกฎของเบียร์-แลมเบิร์ต (Beer-Lambert’s Law)


          4. Infrared-Raman Spectroscopy เป็นวิธีตรวจสอบและศึกษาโครงสร้างของโมเลกุลด้วยการทรานซิชั่น (Transition) ของการสั่นและการหมุน โดยอินฟราเรดสเปกโทรสโกปีจะเป็นการศึกษาการดูดกลืนคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าช่วงอินฟราเรดของโมเลกุล ขณะที่รามานสเปกโทรสโกปีจะเป็นการศึกษาการกระเจิงของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าซึ่งมีความถี่ค่าหนึ่งที่เกิดการชนแบบไม่ยืดหยุ่น (Inelastic Collision) และถ่ายเทพลังงานให้กับโมเลกุลของสสารตามหลักการกระเจิงของรามาน (Raman Scattering)


          5. Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy (NMR) เป็นวิธีศึกษาโครงสร้างและปริมาณของสสารที่อยู่ภายใต้อิทธิพลของสนามแม่เหล็กและมีระดับพลังงานแตกต่างกัน กล่าวคือนิวเคลียสของธาตุจะมีประจุไฟฟ้าและแสดงสมบัติทางแม่เหล็ก เมื่อให้พลังงานในช่วงความถี่ของคลื่นวิทยุ นิวเคลียสของธาตุจะตอบสนองต่อสนามแม่เหล็กด้วยการปรับเปลี่ยนแนวการวางตัวตามระดับพลังงานแล้วปลดปล่อยพลังงานออกมา


          6. Secondary Ion-Mass Spectrometry (SIMS) เป็นวิธีวิเคราะห์ธาตุที่อยู่บนพื้นผิวของวัตถุด้วยการสปัตเตอริง (Sputtering) โดยทำการระดมยิงพื้นผิวของวัตถุด้วยลำไอออนปฐมภูมิ (Primary Ion Beam) แล้วทำการวิเคราะห์ไอออนทุติยภูมิ (Secondary Ion) ที่หลุดออกมาด้วยเครื่อง Mass Spectrometer


          7. Electron Probe Micro Analysis (EPMA) เป็นวิธีวิเคราะห์โครงสร้างของวัตถุโดยทำการส่งลำอิเล็กตรอนที่ถูกเร่งด้วยสนามไฟฟ้าไปชนกับพื้นผิวของวัตถุเพื่อทำให้เกิดอันตรกิริยาระหว่างอิเล็กตรอนกับวัตถุ จากนั้นทำการตรวจวัดสัญญาณเพื่อวิเคราะห์โครงสร้างและส่วนประกอบทางเคมีบนพื้นผิวของวัตถุด้วย EDS และ WDS


          8. Flow Injection Analysis (FIA) เป็นวิธีวิเคราะห์ธาตุทางเคมีโดยการฉีดสารละลายที่ต้องการวิเคราะห์ให้เคลื่อนที่ไปพร้อมกับสารตัวพา เมื่อสารละลายผสมกับสารตัวพาก็จะเคลื่อนที่อย่างต่อเนื่องไปยังเครื่องตรวจวัด เช่น Spectrophotometer, Fluorometer, Ion-Selective Electrode, Biosensor, Mass Spectrometry, Colorimeter หรือเครื่องตรวจวัดอื่นๆ เพื่อแสดงสมบัติของสารละลายที่นำมาวิเคราะห์


          9. Radiochemical Method Analysis เป็นการวิเคราะห์ทางเคมีรังสีซึ่งมีอยู่หลายวิธี เช่น Neutron Activation Analysis (NAA), Charged Particle Activation Analysis (CPAA), Photon Activation Analysis (PAA), Isotope Dilution Analysis (IDA) และ Radiometric Analysis (RA) โดยบางวีธีจำเป็นต้องมีเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ (Nuclear Reactor) และเครื่องเร่งอนุภาค (Particle Accelerator) เป็นแหล่งกำเนิดหรือเพิ่มพลังงานให้กับอนุภาค


          พออ่านมาถึงบรรทัดนี้ ผู้อ่านคงจะทราบแล้วว่าการวิเคราะห์หลักฐานทางโบราณคดีมีหลากหลายวิธีและมีรายละเอียดปลีกย่อยที่เยอะแยะยุบยิบเป็นอย่างมาก หากผู้อ่านท่านใดสนใจศึกษาเพิ่มเติมก็สามารถค้นคว้าได้เองจากหนังสือที่เกี่ยวกับการวิเคราะห์ธาตุทางเคมีด้วยเครื่องมือทางวิทยาศาสตร์ สำหรับบทความตอนต่อไป เราจะมาเรียนรู้การกำหนดอายุ (Dating) ของหลักฐานทางโบราณคดีกัน โปรดรอติดตามครับ

 

บทความโดย

สมาธิ ธรรมศร

ภาควิชาวิทยาศาสตร์พื้นพิภพ
มหาวิทยาลัยเกษตรศาสตร์

 

เอกสารและสิ่งอ้างอิง