简化假定:
本问题建模是为了鉴定几幅不超过300年的古画,为了使模型尽可能简单,可作如下假设:
(1)由于镭的半衰期为1600年,经过300年左右,应用微分方程方法不难计算出白铅中的镭至少还有原量的90%,故可以假定,每克白铅中的镭在每分钟里的分解数是一个常数。
(2)铅210的衰变为:
铅210
T=22年
钋210
T=138天
铅206
若画为真品,颜料应有300年左右或300年以上的历史,容易证明:每克白铅中钋210的分解数等于铅210的分解数(相差极微,已无法区别)。可用前者代替后者,因钋的半衰期较短,易于测量。
建模:
(1)记提炼白铅的时刻为t=0,当时每克白铅中铅210的分子数为y0,由于提炼前岩石中的铀系是处于放射性平衡的,故铀与铅的单位时间分解数相同。由此容易推算出每克白铅中铅210每分钟分解数不能大于30000个,否则铀的含量将超过4%,而这是不可能的。因为:
若?uU0??y0?30000以上确定了每克白铅中铅分解数30000?60?24?365?1.02?1020(个)则U0?的上界,若画上的铅分解数大于?u该值,说明画是赝品;但若是小201.02?10于不能断定画一定是真品。这些铀约重6.02?1023?238?0.04(克)即每克白铅约含0.04克铀,含量为4% (2)设t时刻1克白铅中铅210含量为y(t),而镭的单位时间分解数为r(常数),则y(t)满足微分方程:dy???y?rdt由此解得:y(t)?r[1?e??(t?t)]?y0e??(t?t)00?故:
?y0??y(t)e?(t?t0)?r[e?(t?t0)?1]若此画是真品,t-t0≈300(年)。画中每克白铅所含铅210目前的分解数λy(t)及目前镭的分解数r均可用仪器测出,从而可求出λy0的近似值,并利用(1)判断这样的分解数是否合理。若判断结果为不合理,则可以确定此画必是赝品,但反之不一定说明画是真品(因为估计仍是十分保守的且只能证明画的“年龄”)。
Carnegie-Mellon大学的科学家们利用上述模型对部分有疑问的油画作了鉴定,测得数据如下(见表3-1)。
表3-1
油画名称
1、在埃牟斯的门徒2、濯足
3、看乐谱的女人4、演奏曼陀琳的女人
5、花边织工
210分解数(个/分)镭226分解数(个/分)计算λy0(个/分)8.512.610.38.2
0.80.260.30.17
98050157130127340102250
1.55.2
1.46.0
1274.8-10181
6、笑女
判定结果:
对“在埃牟斯的门徒”,λy0≈98050(个/每克每分钟),它必定是一幅伪造品。类似可以判定(2),(3),(4)也是赝品。而(5)和(6)都不会是几十年内伪制品,因为放射性物质已处于接近平衡的状态,这样的平衡不可能发生在十九世纪和二十世纪的任何作品中。
利用放射原理,还可以对其他文物的年代进行测定。例如对有机物(动、植物)遗体,考古学上目前流行的测定方法是放射性碳14测定法,这种方法具有较高的精确度,其基本原理是:由于大气层受到宇宙线的连续照射,空气中含有微量的中微子,它们和空气中的氮结合,形成放射性碳14(C14)。有机物存活时,它们通过新陈代谢与外界进行物质交换,使体内的C14处于放射性平衡中。一旦有机物死亡,新陈代谢终止,放射性平衡即被破坏。因而,通过对比测定,可以估计出它们生存的年代。例如,1950年在巴比伦发现一根刻有Hammurabi王朝字样的木炭,经测定,其C14衰减数为4.09个/每克每分钟,而新砍伐烧成的木炭中C14衰减数为6.68个/每克每分钟,C14的半衰期为5568年,由此可以推算出该王朝约存在于3900-4000年前。