文章專區

Take Home Message
► 許多畫作上的材料，都會對紫外線產生特殊反應。所以藉由紫外線燈的照射，修復師就能初步檢查這幅畫、分辨不同材質的顏料。
► 紅外線能穿過畫作的顏料層，且不同顏料對紅外線的吸收反射、穿透結果不同，能藉此讓我們辨別出顏料的差異性。
► X 光能讓我們知道畫作內部構造、木板接榫方式、金屬釘排列等，也能藉由元素的「特性X射線」，得知被測物含有什麼元素，推測顏料成分。

臺南市美術館美術科學研究中心的科學分析人員使用紅外線儀器拍攝畫作。（吳宛瑜提供）

你知道什麼是光譜嗎？其實「光」是一種電磁波（electromagnetic radiation），也是一種能量。而在電磁波譜（electromagnetic spectrum）中，包括了所有電磁波的可能頻率。物體所發射或吸收電磁波的頻率分布，就是該物體的電磁波譜。在不同領域的應用中，又可能有頻譜、光譜、能譜、質譜等不同名稱。

電磁波譜的頻率從低到高，分別為無線電波（radio waves）、微波（microwave）、紅外線（infrared,IR）、可見光（visible light）、紫外線（ultraviolet,UV）、X 射線（X-ray）、伽瑪射線（gamma ray）。而其中的可見光就是我們眼睛所能看到的光，只占電磁波譜中一個很小的部分，波長範圍約為360 ∼400 奈米（nm）至760∼830 奈米之間（圖一）。

圖一｜電磁波譜。
可見光只占電磁波譜中的很小一部分，它的波長範圍約為360～400 奈米至760～830 奈米之間。（123RF）

當一束光線含有全部波長範圍的可見光，就會呈現出白色的光，而白光通過三稜鏡折射後，會分散為不同波長的光線，波長由長至短依序為紅、橙、黃、綠、藍、靛、紫等顏色。

透過紫外線，分辨不同材質的顏料

紫外線的波長範圍落在10 ∼ 400 奈米之間。當電磁波在電磁波譜上愈遠離可見光波段區域，且波長變得愈短，能量則會愈強，對照射物體產生的影響也就愈高。因為紫外線的能量強，能破壞生物及物體的分子結構，所以可以用來殺菌，例如我們在日常生活中看到的紫外線消毒燈、紫外線消毒鍋等。而它同樣能加速物體的裂解，使東西老化、損壞。如果人站在大太陽底下，太陽光中的紫外線會讓皮膚曬紅、曬傷；當人體受紫外線長期的刺激，也會提高細胞分子結構變異的可能性，甚至造成相關疾病，例如白內障、皮膚癌等。

除此之外，紫外線在我們生活中還有另一種用途，例如驗鈔筆、驗鈔燈。若以紫外線照射鈔票，可以看到鈔票發出螢光的顏色，這樣的過程稱為「光致發光」（photoluminescence）；而透過紫外線刺激物體而產生的螢光，則稱為紫外螢光（ultraviolet fluorescence）。由於不同物質受到紫外光刺激後，會有不同的紫外螢光反應，我們就可以使用這種特性，檢測、分辨畫作表面上的物質。

在畫作上有非常多種物質材料，都會對紫外線產生特殊反應，例如畫作的保護漆「凡尼斯」（varnish）及修復補色用的顏料「凡尼斯顏料」。藉由紫外線燈的照射，修復師就可以初步檢查這幅畫作是否有被塗上凡尼斯，過去有沒有被其他修復師補色過（圖二）。此外，不同顏料也會有不同的螢光反應，例如鋅白（zin white）與鈦白（titanium white）在可見光底下都是白色，但鋅白在紫外線下會呈現淡淡的螢光黃色（圖三），而鈦白則會變暗（圖四）。透過物質對紫外線的不同反應，就能初步分辨這是兩種不同的材質。

圖二｜臺南市美術館典藏品——翁崑德〈遊園〉局部。
左圖為可見光照片，右圖為紫外線照片。
在紫外線照射下，凡尼斯有黃色的螢光反應，凡尼斯顏料則變暗，藉此就能分辨那些肉眼看不到卻曾被修復過的地方。（吳宛瑜提供）

圖三：鋅白為近代油畫經常出現的白色顏料。左圖為可見光下的鋅白，右圖則是在紫外線照射下，鋅白會呈現出淡淡的螢光黃色。（吳宛瑜提供）

圖四：左圖為可見光下的鈦白，右圖為紫外線下的鈦白。由於鈦白在紫外線下會變暗，
藉由鋅白與鈦白在紫外線下的差異，修復師就能初步辨識白色顏料的種類。（吳宛瑜提供）

透過紅外線，看見畫作下的底稿

紅外線波長範圍在0.76 ∼ 1000 微米（μm）之間，是比紅色光稍微長的電磁波。雖然人的眼睛看不到紅外線，但我們可以感覺到它的熱，所以紅外線也被叫做熱線。當電磁波愈遠離可見光波段區域，且波長變得愈長，穿透力也變愈強。

此外，紅外線也與我們的日常生活緊密相連，像是遙控器、簡報投影筆、夜視監視器、行車記錄器等，都利用了紅外線的功能，讓我們在遠距離就可操控家電或在夜晚透過攝影功能看清楚物體。也因為所有物體都會發出紅外線電磁波，透過這樣的原理，紅外線還能應用在額溫槍、紅外線熱顯像儀等設備，用於測量物體的溫度。

不過因為它是不可見光，所以我們必須藉由特殊的攝影儀器，才能觀察紅外線照射過後的結果。另外，也因為紅外線具有「穿透」的特性，因此以紅外線照射畫作時就能穿過顏料層，將顏料底下的訊息傳回攝影設備，使我們看到藏在畫作顏料下面的影像（圖五）。

圖五：臺南市美術館典藏品——郭柏川〈裸女〉。
左圖為可見光照片，右圖為紅外線照片。
由於畫作的底稿經常使用含碳的鉛筆、炭筆、墨水（汁）等媒材。
而碳元素又特別容易吸收紅外線，因此在紅外線影像中會呈現深色，
再加上紅外線對顏料的穿透性，使得這項技術經常被用來觀察位於作品底下的含碳底稿。
除了可以看見畫家作畫的底稿外，也能窺見作品過去曾被塗改的痕跡。（吳宛瑜提供）

當紅外線穿透過顏料層後，根據不同的顏料會有不同吸收及反射結果，造成穿透的效果不同。例如群青（ultramarine）在可見光底下都是藍色，但「天然群青」（natural ultramarine）在紅外線下會呈現透明，而「人造群青」（artificial ultramarine）卻是不透明的。因此，透過物質對紅外線的反應不同，就能初步辨別出它們的差異性（圖六、七）。

圖六：群青可分為天然（上圖）或人造（下圖）。
左邊為可見光照片，右邊為紅外線照片，由於天然群青在紅外線下會呈現透明，
因此能呈現出顏料下的線條。即使顏料的化學成分相似，在紅外線下也能分辨它們。（吳宛瑜提供）

圖七：生棕土色／生褐（raw umber）對紅外線有較高的反射，但是底下的鉛筆線較易吸收紅外線，使我們能觀察到顏料底下的線條。（吳宛瑜提供）

透過X 光，看進畫作內部

X 射線的波長在0.01 ∼ 10 奈米之間，是一種由德國物理學家侖琴（Wilhelm Conrad Röntgen） 於西元1895 年，做實驗時所發現的未知射線，能穿透多種物質。因為這種射線肉眼不可見，當時他也不知道它是什麼，就以數學家常用來代表未知數的「X」為名，將此神奇的光叫做X 射線。X 射線在醫學及工業領域的應用廣泛，特別是在病理診斷和治療上受了很大的恩惠。X 射線的發現不僅為人類科學發展開啟新的篇章，且侖琴也因此得到世界上第一個諾貝爾物理獎。

萬物都是由原子組成，原子的中心有原子核，而原子核周圍則環繞著許多電子，這些電子對Ｘ射線來說就如同路障一樣，X 射線行經時若撞到電子便會損失能量。原子序較高的物質，其原子核周圍會環繞更多電子，當X 射線通過時，會因為路障的密度或數量增加，因此較容易被阻擋而降低穿透率。換言之，增加物質的厚度也會有一樣的效果。

若對畫作拍攝X 射線照片，便可以得知它的內部構造、木板的接榫方式、金屬釘排列等（圖八）。X射線與紅外線一樣，可以協助我們觀察畫作底下的樣子。此外，X 射線比紅外線具備更高的穿透力，所以能彌補某些物質在紅外線照射下未變透明（吸收的較多、反射的較少）而無法觀察的部分。不過需要特別注意的是，X 射線的穿透力太強，會使作品細節變得較不清楚，因此紅外線與X 射線要依實際狀況互相搭配使用。

圖八：對畫作拍攝X 射線影像可看見它的內部構造。圖為臺灣門神彩繪作品，可見橫向的接榫竹釘及呈現白色的金屬釘。（吳宛瑜提供）

而X 射線不只能用於穿透畫作，還有另一種特性為X 射線螢光（X-ray fluorescence, XRF），是使用X射線撞擊被測物質後，激發出的次級X 射線，又因為每種元素都有自己獨特的次級X 射線，因此也被稱作特性X 射線（characteristic X-ray）。每個原子中心都有著帶正電的原子核，周圍有一層層帶著負電的電子，這些電子在電子軌道上圍繞著原子核，且每一層軌道的電子數量固定。當我們使用X 射線照射物質，X 射線就會把電子軌道上的電子撞掉，使整個原子結構不穩定，外層軌道的電子就會往內層軌道遞補（圖九）。而這個遞補的過程便會產生一系列特殊的電磁波，這個電磁波就是這個元素的「特性X 射線」。每種元素都有自己的特性X 射線，因此透過儀器的分析，便可以告訴我們被測物質含有什麼元素，我們就能藉以推測顏料成分，再依據顏料的發展歷史推測作品可能的年代（圖十）。

圖九：原子中心為帶正電的原子核，周圍的電子在電子軌道上圍繞著原子核，且每一層軌道的電子數量固定。
當我們使用X 射線照射物質，它就會撞掉電子軌道上的電子，使整個原子結構不穩定，
外層軌道的電子就會往內層軌道遞補。在遞補的過程會產生一系列特殊的電磁波，即為這個元素的「特性X 射線」，
只要儀器偵測到特性X 射線，就能知道是什麼元素。（吳宛瑜繪製）

圖十：臺南市美術館典藏品——郭柏川〈靠椅背上的裸女〉。
以掃描式XRF 分析，可見畫作上元素的分布狀況，
圖片由左而右分別是可見光、含鉛分布、含錳分布、含鐵分布。
知道元素的分布後，對於作品劣化因素的推測也能有所幫助。（吳宛瑜提供）

透過不同的檢測方式，逐步還原畫作樣貌

利用不同波長的光來尋找畫作的祕密，是一種不傷害畫作的方式，也被稱為藝術品的非破壞性科學檢測。雖然能讓我們快速了解畫作的基本狀況，但獲得畫作訊息的同時也會發現更多疑點，因此必須配合不同的檢測技術交叉比對分析結果，這往往也考驗著研究人員及修復師的知識底子與操作經驗。而在實務經驗上，有些畫作還是需要透過微量取樣來進行破壞性科學檢測，才能獲得較明確的結果。筆者常開玩笑的表示，非破壞性科學檢測就像醫學上的「篩檢」，而破壞性科學分析就是「診斷」。先通過篩檢聚焦可能的結果，再進行取樣分析進一步診斷，才能順利的「醫治」好這些珍貴的畫作。

本篇色卡使用Cultural Heritage Science Open Source–CHSOS 的Pigments Checker，於臺南市美術館美術科學研究中心內拍攝。