2 HOW THE TEAM AT CAIS KNOWS WHERE THIS MISSION BELL WAS MADE! - Written by Alice M.W. Hunt, John G. Swogger & Jeff Speakman Illustrated by John ...
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Written by Alice M.W. Hunt, John G. Swogger & Jeff Speakman Illustrated by John G. Swogger 2 HOW THE TEAM AT CAIS KNOWS WHERE THIS MISSION BELL WAS MADE!
Welcome to the CENTER FOR APPLIED ISOTOPE STUDIES (CAIS), and the
amazing world of archaeometallurgy - where geoscientists and archaeologists
use science to unlock the past! we're going to be showing you how the
chemicals inside ancient objects can tell us where an object was made - even
something that's been buried in the earth for hundreds of years.
Doing this kind of science takes a whole team of people. Here are the
archaeologists and scientists at CAIS who make archaeometallurgy possible.
they're going to tell you what archaeometallurgy is used for, how it works
and how they do it.
ANNA
Archa
eolog
DAVID and La ist
Direct b
o
ogist the Am r at
Archaeol erican
tor of Museu
and cura ican mo
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north Am al
o l ogy at Histor
archae y
ican
the Amer
of
museum
l h is tory
natura
DOUG
at CAIS.
ALICE Scientist y:
Specialt
ce
Scientist at CAIS. geoscien
Specialty: Materials
Engineering
Anna and Dave are excavating a Spanish Mission on St. Catherines Island.
Dave, I'm finding a It's bronze:
lot of fragments of That's really
metal in the trenches interesting!
we're excavating.
Yes, I
I think think you're
they're right.
pieces of
mission
bells.
the archaeologists on St. Catherines are looking for evidence that helps us
understand the lives of the first european settlers in the new world.
Mission bells were usually Perhaps when the Mission was
made back in Spain or Mexico and destroyed, people wanted to keep
brought with missionaries when fragments of the bells to recycle them into
they settled the New World. other objects.
Hmm. I wonder
where the bells
were actually
made?
AT CAIS in Georgia:
Hi Anna! Yes, we
can definitely help you
find an answer. You've
sent us some of the bell
fragments so we can get
started!
Hmm. I
can see
under the Can you see those
microscope bubbles?
that some They mean the
of the metal bronze used to
has not been make the bell
cast very cooled too quickly
well. in the mold.
HOW WERE THE MISSION BELLS MADE?
1 2 3
First, the shape of the Red-hot liquid bronze The bronze goes into
bell is made out of wax is poured into the space the space left behind by
surrounded by a mold between the two parts the melted wax, taking
made of clay. of the mold. The wax the same shape.
melts and runs out.
The
bubbles mean the Can we
bells probably weren't find out
made in Spain. Spanish where the metal
bell-casters were very came from? That
good at making bells, and might tell us
they wouldn't have let where the bells
the metal cool too were made.
quickly.
Well,
the metal
contains ... so, yes: I
copper, tin think the lead copper lead
and lead... * isotopes could
tell us.
Let's tin
take your
samples to
* scientists often use these abbreviations: Doug.
copper: C u tin: sn lead: p b
4 5 6
The bronze cools and The clay parts of the Finally, the bell is
goes solid. mold are taken away, trimmed, polished and
and what is left is the tuned so that it makes
bronze bell. the correct sound.
WHY IS THERE LEAD IN THE BRONZE BELLS?
Bronze is an "alloy," which However, both copper and lead was added to the
means it is a metal made tin are very soft – so bronze to make it stronger.
from two other metals. bronze can often crack. It cools more slowly than
copper and tin.
Copper
Cu
lead
Pb
tin
Sn
Lead is dug out of the Two of these elements – Thorium and Uranium – are
1 ground in lead mines. There 2 radioactive. As they decay, neutrons and protons
are other elements in the leave the nucleus of the elements, changing them
rocks and soil surrounding to lead. This creates lead atoms with different
the lead numbers of protons and neutrons.
thorium
TH
lead lead lead lead
Pb Pb Pb Pb
206 207 208 204
uranium
u each of these is called an isotope - and
has a different atomic weight.
3
Different parts of the 4 5
world have different
amounts of naturally- ... and they create different so how much of each isotope you
occurring Thorium and amounts of each kind of lead have in a sample of lead can tell
Uranium in the soil isotope. you were that lead came from.
and rocks...
Hi Doug! Here
are the mission
bell samples we are
curious about.
The first step is
to separate the lead
from the copper and the
tin in the sample using
a CATION EXCHANGE
COLUMN.
The sample
is carefully
collected... ...for the
metal to
... and It takes about
dissolve IN
added to a day...
THE ACID.
acid.
A small sample is removed from
the bronze bell fragment.
The sample is poured I use a special
into a column to trap acid to release
the lead... the lead from the
tin column. I then collect
Everything else - ie: Sn it and take it to the
the Cu and SN - flows multicollector for
through the column and the next step.
drips out the bottom.
Copper
Cu
Because each element
behaves differently,
they move through the
column at different lead
speeds.
Pb
It takes a while for the
sample to pass through
the column, and we wait
until the time is right
to extract just the lead
from the sample.
... and passed through
the electrostatic The
analyzer or ESA. ESA uses an
electric field to
Next, the ions are
3
further focus the
focused into a very ions and allow only the
small beam of energy... ions of a given specific
First the sample is 2 energy to pass
through to the
introduced into the plasma magnet.
and converted to positively
charged ions.
1
Plasma
is one
of the four
fundamental
states of matter,
the others being
solid, liquid
and gas.
The different isotopes
of lead are separated out
Plasma is
a mixture of by the multicollector and
negatively charged counted separately in the
electrons and highly collector array. This tells us
charged positive ions how much of each isotope is
created when the sample
present in the sample.
is sprayed into a high
temperature torch.
For each sample,
we look at the
amounts of
four isotopes:
Pb Pb
204 206
Pb Pb
207 208
4
The focused ion beam passes through The
the magnet, which causes the ions to magnetic
travel in a curved path. field separates
the particles by
their mass and charge.
Heavier ions travel
along a wider curve
than the lighter
ions.
5 The ions are now separated into
beams containing only ions of the same
mass and charge - isotopes.
Each isotope is measured by the
collector array: a series of
detectors designed to count
charged particles in a vacuum.
6
These
detectors
are called
"Faraday cups,"
This process after the
allows us to scientist Michael
compare the amount Faraday.
of one isotope to When we
another. This is analyze lead,
called a ratio. we're particularly
interested in several
ratios, such as:
208Pb to 206Pb
and
/
207Pb to 206Pb.
Pb Pb
208 206
Pb
207
/ Pb
206
Now we can
match the ratios
found in your sample
with ratios from
known sources of
These data lead.
show us how
much of each lead
isotope was in the
sample from the
bells.
This chart shows different ... which help pinpoint the location
sets of these two ratios... on a Geological map.
SPAIN
Pb
208
/
Pb
206
MEXICO
...So the bell
with the bubbles
Pb
207
/ Pb
206 matches one source
in west Mexico That's
perfectly and the more than
Each other bells came a thousand
dot on the from Spain. miles from St.
chart is a Catherines!
known source
of lead...
...lead from
mines in Mexico plots
near the bottom and
lead from Spain plots near
the top. The Red dots
show the bells we
analyzed.This means one
of our mission bells was
made with lead that came
from Mexico. This is definitely
different than what we
first thought!
That's excellent
news, Anna! It really
changes our ideas about
this mission site!
Knowing where metal for making objects like these mission bells comes from is really
important. It tells us how distant historical places in north america are related.
Work done at the center for applied isotope studies is helping us connect sites
like St. Catherines to sites in other places and other countries. The science at CAIS
helps us understand how the first european settlers lived in the new world.
Center for Applied Isotope Studies
UNIVERSITY OF GEORGIA
Carbon Comics No. 2 - Unlocking The Past: Archaeometallurgy
Written by Alice M. W. Hunt, John G. Swogger and Jeff Speakman
Illustrated by John G. Swogger
Translated by Kathy Loftis and Edgar Alarcón TinajeroSeparate Game for two players: Take turns drawing straight lines from one + to another, try and make
a box around a group of lead isotope atoms of the same colour. Whoever separates out the most
The atoms, wins! One Player challenge: draw a single, continuous line from one+ to another, without
crossing over your line, and see how many isotope atoms you can separate by colour!
isotopes!Separate +
Juego para dos jugadores: tome turnos para dibujar líneas rectas de uno a otro , intenta hacer
una caja alrededor de un grupo de átomos de isótopos de plomo del mismo color. Quien separe a la
The +
mayor cantidad de átomos, gana! Desafío de un jugador: dibuja una sola línea continua de una a
otra, sin cruzar la línea, ¡y ve cuántos átomos de isótopos puedes separar por color!
isotopes!Esto significa que
una de nuestras campanas
de misión fue hecha con plomo
que vino de México. ¡Esto es
definitivamente diferente de
lo que pensamos primero!
¡Qué excelente NOTICIA!
Realmente ha cambiado
nuestras ideas sobre el sitio
de la misión.
El saber de dónde proviene el metal para fabricar objetos como
estas campanas de misión es muy importante. Nos indica cómo se
relacionan los lugares históricos distantes en América del Norte.
El trabajo realizado en el Center for Applied Isotope Studies nos ayuda a conectar
sitios como St. Catherines a otros lugares y a otros países. La ciencia en CAIS nos
ayuda a entender cómo vivieron los primeros colonos europeos en el mundo.
Center for Applied Isotope Studies
UNIVERSITY OF GEORGIA
Carbon Comics No. 2 - Descubriendo el Pasado: La Ciencia de Arqueometalurgia
Written by Alice M. W. Hunt, John G. Swogger and Jeff Speakman
Illustrated by John G. Swogger
Translated by Kathy Loftis and Edgar Alarcón TinajeroAhora
podemos
emparejar las
proporciones
Estos que medimos en
datos nos sus muestras con
muestran la proporciones de
cantidad de cada fuentes conocidas
isótopo de plomo en de plomo.
cada muestra de
las campanas.
Esta gráfica muestra diferentes ... que ayudan a identificar la
conjuntos de estos dos proporciones. ubicación en un mapa geologico.
SPAIN
208
Pb
/
206
Pb
O sea
MEXICO que la campana
con las burbujas
207 206
coincide perfectamente
Pb / Pb con una fuente en el
oeste de México y ¡Eso esta
las otras campanas a más de mil
Cada millas de St.
vinieron de
punto en el Catherines!
España.
gráfico es una
fuente conocida
de plomo…
…EL PLOMO DE
MINAS DE MEXICO trazan
cerca de la parte INFERIOR Y EL
PLOMO DE MINAS DE ESPANA TRAZAN
CERCA DE LA CIMA. Los puntos
rojos muestran las campanas
que analizamos.El rayo de ion enfocada pasa a través El campo
4 del imán, lo cual causa que los iones eléctrico
tomen un camino curvo. separa las
partículas por masa
y carga. Los iones más
pesados mantienen una
curva más ancha que
los iones más
ligeros.
5 Los iones están ahora separados en
rayos que contienen solamente iones
de la misma masa y carga – isótopos.
Cada isótopo es medido por
colectores tipo Faraday: una
serie de detectores diseñados
a contar partículas cargadas..
6
Estos
detectores
se llaman
Este proceso "detector tipo
nos permite poder Faraday", llamado
comparar cada tipo de así por Michael
Faraday.
Isótopo con los otros. Cuando
Esto se llama una analizamos el
proporción. plomo estamos
particularmente
interesados en varias
proporciones,
tales como:
208Pb a 206Pb
y
207Pb a 206Pb.
208 206
Pb / Pb
207 206
Pb / Pb... y entran al analizador El ESA
electrostático (ESA). usa un campo
eléctrico para
A siguiente, los iones se enfocar aún más los
enfocan en un pequeño iones y permitir que
rayo…
3 solo iones de una
energía específica
Primero la muestra se 2 pasen hacia el
introduce en el plasma imán.
donde se convierte en iones
positivos.
1
El plasma es
el cuarto estado
de agregación de la
materia, los otros
son sólido, líquido,
y gas.
Los diversos
isótopos de plomo
El plasma es una se separan utilizando el
mezcla de electrones múlticolector y cada isótopo
que tienen carga se cuenta por separado en la
negativa y iones positivos colectora tipo Faraday. Esto
muy cargados que se crean
nos informa cuánto de cada
cuando la muestra es
atomizada y introducida isótopo está presente en
a la antorcha de alta la muestra.
temperatura. Para
cada muestra
analizamos la
cantidad de cada
isótopo que está
presente en la
muestra:
204 206
Pb Pb
207 208
Pb Pb¡Hola Doug! Estas
son las campanas de
la misión de las que
tenemos curiosidad.
El primer paso es
separar el plomo del
cobre y del estaño
usando una columna de
intercambio catiónico.
La muestra es
cuidadosamente
recolectada… …para que
se disuelve
…y añadida Toma casi
el metal en
a un poco un día…
el ácido.
de ácido.
Se obtiene una pequeña muestra
de cada fragmento de la campana.
Se vierte la muestra en
una columna para atrapar
Utilizo un
el plomo… ácido especial para
extraer el plomo de
EstaÑo la columna. Luego lo
… lo demás—o sea, el Cu
Sn recojo y lo llevo al
y Sn—fluye a través de
la columna y gotea por la multicolector para la
parte inferior. próxima etapa.
cobre
Como cada elemento Cu
reacciona de manera
diferente con la columna,
migran a través de la
columna a diferentes plomo
velocidades.
Pb
Se tarda un poco para que
la muestra pase a través de
la columna, y tenemos que
esperar para el momento
justo para asegurar que
solo extraemos el plomo de
la muestra.¿Por qué tienen plomo las campanas de bronce?
El bronce es una "aleación", Sin embargo, el cobre y Añadieron plomo al bronce
lo cual significa que está el estaño son metales muy para reforzarlo. La aleación
compuesto de dos metales. blandos, por lo que a menudo que contiene plomo se enfría
se agrieta el bronce. más lentamente.
cobre
Cu
plomo
estaÑo
Sn Pb
Desentierran el plomo de una 2. Dos de los elementos que se encuentran aquí—torio
1 mina. Dentro de las rocas y
2 y uranio—son radioactivos. Cuando estos elementos
la tierra que rodea el plomo radioactivos se decaen, sus neutrones y protones
hay otros elementos. abandonan a los núcleos, transformándolos a plomo.
Esto crea nuevos átomos de plomo con diferentes
cantidades de protones y neutrones.
thorium
TH
plomo plomo plomo plomo
206 207 208 204
Pb Pb Pb Pb
uranium
u cada uno de estos se llama isótopo y
tiene un peso atómico diferente.
3
La Tierra varía en las 4 5
cantidades de torio y
uranio que ocurren …y se crean diferentes Por lo tanto, saber la cantidad
naturalmente en sus cantidades de cada tipo de de cada clase de isótopo, DE PLOMO
rocas y tierra… isótopo de plomo en diferentes NOS PUEDE INFORMAR DE Dónde
partes del mundo. PROVIENE EL PLOMO.Las
burbujas ofrecen ¿Podemos
evidencia de que las averiguar
campanas no fueron el origen del
construidas en España. bronce? Quizá
Los métodos de fundición nos indique dónde
que usaban en España fue fabricada la
producían campanas sin campana.
burbujas.
Pues,
el metal ... Así que,
contiene sí. Creo que el
cobre, estaño, análisis de los cobre plomo
y plomo...* isótopos de plomo
nos informará.
Le estaño
enviaremos
tus muestras
* LOS científicos USAN ESTAS ABREVIATURAS A MENUDO. a Doug.
cobre: C u estaño: sn plomo: p b
4 5 6
El bronce enfría y se Se quita el molde de POR FIN, SE RECORTA,
solidifica. arcilla y lo que queda SE PULE, Y SE SINTONIZA
es la campana. LA CAMPANA PARA
OBTENER EL SONIDO
CORRECTO.En el CAIS en Georgia:
¡Hola Anna!
Sí, seguro que
te podemos ayudar a
averiguar el resultado. ¡Ya
nos enviaste un fragmento,
así que podemos
empezar ahorita!
Pues. En el
microscopio ¿Ves esas
puedo ver burbujas?
partes del metal significan que
que muestran el bronce
evidencias de se enfrió
diferencias entre demasiado
las prácticas de rápido en el
fundición. molde.
¿Cómo se fabricaron las campanas de las misiones?
1 2 3
Primero la forma de la El bronce liquido El bronce permanece
campana se construye de caliente se vierte en la en la cavidad creada
cera y es rodeada por cavidad entre las dos después de que la cera
un molde de arcilla partes del molde. La se haya derretido,
cera se derrite y sale. tomando la forma del
molde.Anna y Dave están excavando una misión española en St. Catherines Island.
Dave,
estoy encontrando Esto es
muchos fragmentos de bronce. ¡Qué
metal en las trincheras interesante!
que estamos
excavando.
Sí. Creo
Creo que tienes
que son razón.
pedazos de
una campana
de la
misión.
Los arqueólogos en St Catherine's Island buscan evidencia que nos ayudara a
comprender mas bien las vidas de los primeros colonos europeos en el nuevo mundo.
Por lo general, las ... los Quizá
campanas de las misiones se misioneros las cuando la misión
fabricaban en España o en México. transportaban a fue destruida, la gente
Durante la colonización del las misiones. quería guardar trozos de
Nuevo Mundo... las campanas para poder
reciclarlos y hacer
nuevos objetos.
Eh. Me gustaría
saber dónde
actualmente se
hicieron?¡BIENVENIDOS AL CENTER FOR APPLIED ISOTOPE STUDIES (CAIS) Y AL MUNDO
ASOMBROSO DE LA ARQUEOMETALURGIA, DONDE LOS GEOCIENTIFICOS Y Arqueólogos
USAN LA CIENCIA PARA DESCUBRIR EL PASADO! TE Ensenaremos Cómo LOS ELEMENTOS
DENTRO DE UN OBJETO ANTIGUO NOS PUEDEN INDICAR dónde SE Fabricó, INCLUSO
UN OBJETO QUE HA ESTADO ENTERRADO POR CIENTOS DE años.
Realizar este tipo de ciencia requiere un equipo completo. Aquí presentamos
a los arqueólogos y científicos de CAIS quienes hacen los análisis de
arqueometalurgia posible. Les van a mostrar para qué se utiliza la
arqueometalurgia, cómo funciona, y cómo lo hacen.
ANNA
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direct ogo y
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American
Natural
Historia
DOUG
S.
o en CAI
ALICE Científic ad:
Especialid
ias
Científica en CAIS. Geocienc
Especialidad:
Ingeniería de
MaterialesEscrito por Alice M.W. Hunt, John G. Swogger & Jeff Speakman Illustrado por John G. Swogger
2
La Ciencia de
Arqueometalurgia
CÓMO EL EQUIPO EN CAIS AVERIGUA DÓNDE SE FABRICO ESTA CAMPANA DE LA MISIÓNYou can also read
