Este documento describe la aplicación de técnicas de física nuclear como el análisis de activación neutrónica para determinar la procedencia de cerámicas antiguas. Explica cómo la composición química de las cerámicas puede revelar su lugar de fabricación y presenta un ejemplo del uso de estas técnicas para verificar la autenticidad de cerámicas Marajoara de Brasil.

1. Aplicación de la física nuclear en la
investigación de la procedencia de
antiguas cerámicas
José Alberto Lorda Abadías
Máster en Físicas y tecnologías físicas. Universidad de Zaragoza

2. ÍNDICE
 INTRODUCCIÓN
 ASPECTOS ARQUEOLÓGICOS
 APLICACIÓN DE TÉCNICAS NUCLEARES: NAA
 EJEMPLO: AUTENTICIDAD DE LA CERÁMICA MARAJOARA
 BIBLIOGRAFÍA

3. Introducción
La materia prima de las cerámicas es la arcilla: Agua,
Silicio , Plomo, Aluminio, Óxidos metálicos, tierras
raras…etc.
 Las cerámicas tienen un gran interés arqueológico debido a
que tienen propiedades favorables:
 Pueden sobrevivir enterradas bajo suelo sin apenas
decaimiento de sus elementos Cuando son descubiertas
todavía conserva su composición química original.
 Debido a su fragilidad tienen una corta vida de uso.
 Ambas propiedades permiten estudiar cortos periodos de
tiempo.

4. Introducción
 Desde el punto de vista histórico es importante determinar si
las cerámicas encontradas en excavaciones arqueológicas
fueron fabricadas en regiones locales o fueron importadas
desde otras regiones. También es importante verificar su
autenticidad.
 Establecer relaciones culturales.
 Determinar antiguas vías comerciales.
 Sugerir formas de vida.
 Determinar importancia económica de una región…etc.

5. Introducción
Aplicación de la física nuclear en la arqueología:
 Robert Oppenheimer (1904-1967): Primer científico en sugerir la
aplicación de métodos de la física nuclear en arqueología.
 R.W. Dodson y E.V. Sayre del Brookhaven (National Laboratory,
EEUU, 1957) publican un trabajo que trata sobre el análisis de
tiestos mediterráneos por activación de neutrones.
 NAA (Neutron Activatión Analysis) Desde 1970 hasta hoy, es la
técnica más utilizada para determinar la procedencia de objetos
antiguos.
 Otros métodos empleados son XRF (X Rays Flourescence), OES
(Optical Emision Spectroscopy) o AAS (Atomic Absortion
Spectroscopy).

6. Introducción
 Los métodos científicos contribuyen substancialmente en las
investigaciones arqueológicas en los siguientes campos:
 Conservación y restauración
 Procedencia
 Datación
 Verificación de la autenticidad

7. Aspectos arqueológicos
Para entender cómo las técnicas nucleares pueden ayudar a determinar la procedencia de las
cerámicas hay tener en cuenta en primer lugar los postulados de procedencia de las cerámicas.
 Postulados de la procedencia de las cerámicas:
1) Todos los recipientes de cerámica que tienen la misma
composición de elementos han sido fabricados a partir de la
misma pasta de arcilla.
2) Cada pasta de arcilla tiene una composición química única y es
característica del yacimiento de donde se ha extraído la arcilla.
3) La composición química de la pasta original puede ser
determinada.

8. Introducción
 Resumen de los postulados:
 Cerámicas cuya pasta tienen distintas composición química 
Proceden de distintos yacimientos de arcilla.
 Cerámicas cuya pasta tienen igual composición química 
Proceden del mismo yacimiento de arcilla.
 Aplicación de los postulados:
 Dada una cerámica descubierta, determinando su composición
química se puede llegar a identificar su procedencia.

9. Aplicación de las técnicas nucleares: NAA
 Requisitos fundamentales que deben satisfacer las técnicas
nucleares empleadas para determinar la procedencia son:
 Gran reproducibilidad: Dar el mismo resultado en mediciones
distintas, todas ellas con las mismas condiciones.
 Gran sensibilidad: Tienen que ser medidas hasta los elementos con
concentraciones más pequeñas.
 Gran versatilidad: Tienen que poderse medir una gran variedad de
elementos simultáneamente.
 Gran rendimiento: Tienen que medir muchas muestras.
 Capacidad de automatizarse: Es imprescindible aplicar métodos
estadísticos computacionales
 Gran precisión: Debe proporcionar valores cuantitativos correctos
que faciliten la comparación entre laboratorios.

10. Aplicación de las técnicas nucleares: NAA
La técnica NAA se adapta a todos los requisitos anteriores
Aplicando la técnica de NAA, se siguen los siguientes pasos:
DETERMINAR LA
CONCENTRACIÓN DE
ELEMENTOS QUÍMICOS.
AGRUPAMIENTO DE LAS
MUESTRAS.
IDENTIFICACIÓN DE LA
PROCEDENCIA.

11. Aplicación de las técnicas nucleares: NAA
 Determinación de la concentración de los elementos químicos.
1) Una muestra de una cerámica arqueológica es irradiada en un acelerador con un flujo
de neutrones lentos junto con varias muestras estándar de composición conocida.
Muestra arqueológica Muestras estándar
2) Se forman productos radiactivos que decaen por emisión gamma característica de
cada elemento. Las intensidades de las líneas gamma son medidas con detectores
semiconductores (permiten medir un rango de energía grande y por lo tanto un gran
número de elementos).

12. Aplicación de las técnicas nucleares: NAA
3) La muestra arqueológica y muestras estándar deben ser irradiadas, medidas y evaluadas
mediante el mismo procedimiento.
4) Comparando las intensidades de las emisiones gamma se determina cuantitativamente la
concentración de los elementos de la muestra arqueológica.
 Ejemplo de procedimiento:
 Para un Vasija de cerámica se suele extraer una muestra de 60-80 mg. Normalmente de la
base.
 La muestra se pulveriza con un mortero de Corindon.
 El polvo se diluye en 60mg de celulosa y se introduce en una píldora de aluminio de 10 mm de
diámetro.
 La píldora es irradiada durante 90 min con un flujo de neutrones térmicos en un acelerador
junto con las muestras estándar.
 El espectro de emisión gamma es medido 4 veces entre los 5 y 24 días después de haber sido
irradiadas. El tiempo de cada medida varía entre 30 min y 1h30min

13. Aplicación de las técnicas nucleares: NAA
 Elementos que podemos encontrar en una arcilla
Silicio
Elementos con concentraciones
Aluminio
comunes a todas las arcillas
Oxígeno
No
Elementos que se depositan Bario, Calcio, Sodio, Potasio,
caracterizan
durante su entierro. Rubidio, Cesio
a la arcilla.
Elementos cuyas concentraciones
Arsénico, Bromo, Arena (Silicio),
pueden variar en el proceso de
Calcita
fabricación.
Elementos característicos de cada Cobalto, Cromo, Hierro, Thorio,
arcilla (yacimiento) Iterbio, Escandio, Samario, Uranio, TRAZADORES
Hafnio,..etc
 Los elementos trazadores caracterizan a la arcilla. Reflejan su composición inicial inalterada.
Nos proporcionan las pistas de su procedencia.

14. Aplicación de las técnicas nucleares: NAA
 Ejemplo de espectro gamma usando la técnica NAA

15. Aplicación de las técnicas nucleares: NAA
 Para obtener valores de concentraciones precisos, las intensidades de las líneas
gamma deben ser corregidas del siguiente modo:
A) Corrección debida al nivel de fondo: Envoltura de Aluminio, celulosa,
paredes del laboratorio, rayos cósmicos,…etc.
B) Corrección debida al tiempo de muerto (tiempo en el cual el detector no
mide).
C) Corrección debida al detector: Cada elemento es detectado con distinta
eficiencia.
D) Interferencias entre rayos gamma: Diferentes núcleos pueden emitir energías
similares, es el caso del Cr-51 (320keV) que oculta la línea de 319,4 keV del
Nd-147. Esta línea es determinada mediante la línea de 531 keV del Nd-147.

16. Aplicación de las técnicas nucleares: NAA
E. Otras reacciones nucleares: Pueden suceder otras reacciones nucleares no deseadas cuando
aparecen neutrones de mayor energía: La concentración de Cromo es determinada por la
emisión gamma del Cr-51 (320keV) (producto radiactivo al bombardear Cromo con
neutrones de baja energía) pero si existe neutrones de mayor energía el Cr-51 también
puede producirse a partir de la emisión alfa del Fe-54. Se hacen medidas de la influencia
que tienen los posibles neutrones de mayor energía en la producción de Cr-54.
F. El U-235 puede fisionarse y producir Zr, lo cual puede falsear su concentración real de Zr.
Se realiza una medida de la influencia del U-235 en la producción de Zr.

17. Aplicación de las técnicas nucleares: NAA
 Ejemplo de las concentraciones de los elementos obtenidas en el análisis.

18. Aplicación de las técnicas nucleares: NAA
 Agrupación de las muestras
 Si el número de muestras a examinar no es muy grande y tenemos medidas
suficientemente precisas, el agrupamiento de muestras puede realizarse a simple vista
 En casos reales , el número de muestras es grande (más de 15 o 20) es necesario aplicar
análisis estadísticos computacionales.
 Los métodos estadísticos parten de una representación de las muestras en un
hiperespacio de m dimensiones. Donde m es el número de elementos que se analizan.
Cada eje del espacio corresponde a la concentración de cada elemento. Por ejemplo, si
solo consideramos 3 elementos ;Co, Cr y Sc, cada muestra queda representada por un
punto en un espacio de 3 dimensiones. Puntos próximos entre sí corresponden a
muestras de composición similar. Co
Cr
Sc

19. Aplicación de las técnicas nucleares: NAA
 En casos reales se estudian muchos elementos a la vez, por lo que el hiperespacio tiene
muchas dimensiones.
 La representación de las muestras es una nube de puntos en un hiperespacio de m
dimensiones.
 Ejemplo: Nube de puntos en un espacio de tres dimensiones (análisis de 3 elementos).

20. Aplicación de las técnicas nucleares: NAA
 Métodos estadísticos para realizar el agrupamiento:
 PCA (Principal Components Analysis) Método recomendado
Mediante transformaciones lineales, las dimensiones del problema se van reduciendo hasta un
número de dimensiones relevantes. Por ejemplo, si tenemos 2 nubes de puntos muy bien
diferenciadas en el hiperespacio, el hiperespacio del problema se pueden reducir hasta 2
dimensiones.
 CA (Cluster Analysis)No recomendado
En el método 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
quedarán unidos en un solo punto de mayor tamaño. 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 más próximo de agrupamiento
iii) Distancia entre un punto y el vecino más lejano de agrupamiento
iv) Distancia media entre un punto y todos los puntos del agrupamiento

21. Aplicación de las técnicas nucleares: NAA
 Con el análisis CA obtenemos un diagrama de dos dimensiones (dendograma). En el eje
vertical tenemos el módulo 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 patrón).
 Problemas del CA:
1) En general la interpretación de los dendogramas es difícil.
2) Las concentraciones de cada elemento tienen incertidumbres diferentes, el CA no tiene
en cuenta este hecho tan bien como el PCA.

22. Aplicación de las técnicas nucleares: NAA
 Identificación 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 sólo es posible identificar el origen cuando se descubren hornos del taller junto con
sus residuos, dichos residuos si que mantienen la composición inicial de la arcilla y pueden ser
comparadas con las muestras.

23. Ejemplo: Autenticidad de la cerámica Marajoara
 Cerámica Marajoara, originaria de la isla de Marajó, una pequeña isla localizada en la boca del
amazonas donde se formó una de las sociedades indígenas preColombinas más interesantes del
continente americano. Las cerámicas Marajoara han sido estudiadas desde el siglo XIX.
 Se realizó un trabajo colectivo entre el instituto de investigaciones energéticas y nucleares de
Sao Paulo, el museo de arqueología y etnología de la Universidad de Sao Paulo y la Universidad
de Belém, Brasil, cuyo objetivo era determinar los parámetros que permiten determinar la
autenticidad de las cerámicas Marajoara.
 En el trabajo se analizaron 330 muestras de cerámicas Marayoara encontradas en excavaciones
arqueológicas de la isla junto con 36 muestras de cerámicas de imitación.
 Las técnicas nucleares aplicadas fueron el NAA (Neutron Activation Analysis) y ESR ( Electron
Spin Resonance)

24. Ejemplo: Autenticidad de la cerámica Marajoara
 La técnica NAA realiza el análisis químico. Para ello determinar las concentraciones de los
elementos de las cerámicas. Una vez calculadas las concentraciones, por medio de análisis
estadístico PCA o DA se pretende determinar las diferencias entre las muestras.
 La técnica ESR pretende determinar las temperaturas de cocido de las arcillas utilizadas en las
cerámicas Marajoara y en las contemporáneas. Se estudia el espectro resultante de la ESR del
Fe3+, 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 coincide
aproximadamente con la temperatura de cocido de la muestra.

25. Ejemplo: Autenticidad de la cerámica Marajoara
 Conclusiones a las que se llegaron:
 Con el NAA es viable verificar la autenticidad de las cerámicas Marajoara con el análisis tan
solo de 6 elementos.
IMITACIÓN
Marajoara

26. Ejemplo: Autenticidad de la cerámica Marajoara
 Conclusiones a las que se llegaron:
 Los resultados del ESR mostró que la temperatura de cocido varía entre los 450 y 700
grados tanto para las cerámicas Marajoara y las contemporáneas. Como consecuencia la
temperatura de cocido no es un parámetro mediante el cual se pueda verificar la
autenticidad de las cerámicas.

27. BIBLIOGRAFIA
 IAEA Radiation Technology Series N. 2, Nuclear Techniques for Cultural Heritage
Research, (September 2011).