fisica e beni culturali

Fisica e Beni Culturali

Lo scopo delle analisi scientifiche, in generale, nel campo dei Beni Culturali non è diretto solo alla tutela, alla conservazione, al restauro, che ovviamente sono di prioritaria importanza, ma esse assolvono anche allo scopo di fornire gli elementi di caratterizzazione materica che integrano i dati dell’analisi storico-stilistica e che possono prescindere del tutto da scopi di conservazione e di restauro.

Cos’è l’Archeometria?

E’ l’area delle applicazioni delle discipline scientifiche, inclusa la Fisica, che hanno come oggetto le misure riferite a oggetti antichi.

In particolare, ma non esclusivamente, le datazioni.

I metodi di analisi fisiche devono essere non distruttivi e perciò sono importanti alcuni metodi di fisica atomica (ion beam analysis) e nella totalità i metodi della Fisica nucleare.

Rappresentazione delle transizioni elettroniche XRF

XRF

PIXE

Università degli Studi di Milano - Istituto di Fisica Generale Applicata

PIXE: ceramics analysis


PIXE: external proton beam


XRF SET UP


NUCLEAR METHODS APPLIED TO CULTURAL

HERITAGE

International Conference

Roma-Venezia, May 24 –29 1973


IBA

5÷10 μ

SEM

XRF

PIXE

PIGE

NRA

RBS

PAA

100÷150 μ

R/C (BINARY ALLOYS)

300÷400 μ

PAA

2÷3 mm

ABSORPTION

NAA

Materiale didattico ricevuto dal Prof. Mandò Materiale didattico ricevuto dal Prof. Mandò

dell’Università degli Studi di Firenzedell’Università degli Studi di Firenze

Alcune applicazioni della Alcune applicazioni della tecnica PIXE nel campo dei tecnica PIXE nel campo dei

Beni CulturaliBeni Culturali

Analisi di materiali - COME?Analisi di materiali - COME?

• analisi chimicaanalisi chimica• spettrometrie nel visibile, I.R., U.V.spettrometrie nel visibile, I.R., U.V.

• tecniche “nucleari”:tecniche “nucleari”:

tecniche di attivazione (con neutroni o particelle tecniche di attivazione (con neutroni o particelle cariche)cariche)

fluorescenza X (XRF)fluorescenza X (XRF)

Ion Beam AnalysisIon Beam Analysis (PIXE, PIGE, NRA, RBS, ....)(PIXE, PIGE, NRA, RBS, ....)

Tecniche di Tecniche di Ion Beam AnalysisIon Beam Analysis

• insieme di metodologie della fisica nucleare, insieme di metodologie della fisica nucleare,

basate sull’uso di piccoli acceleratori di basate sull’uso di piccoli acceleratori di

particelle particelle

• estremamente efficaci per determinare la estremamente efficaci per determinare la

composizione di un qualsiasi campionecomposizione di un qualsiasi campione

Ion Beam Analysis (IBA)Ion Beam Analysis (IBA)

campionecampionefascio di particellefascio di particelle

rivelatorerivelatore

radiazione caratteristicaradiazione caratteristica

Lapislazzuli

0

200

400

600

800

1000

C o

n t

e g

g i

Na

Al

Si

S

K

Ca

spettro di spettro di energieenergie

segnalisegnali

Ion Beam AnalysisIon Beam Analysis

• quantitativa, multi-elementalequantitativa, multi-elementale• molto sensibile molto sensibile veloce, basse veloce, basse

correnti dicorrenti di fascio fascio non distruttiva non distruttiva

• analisi di superficie (15-20 analisi di superficie (15-20 m m tipicamente)tipicamente)

• micro-analisimicro-analisi

• fasci esterni fasci esterni

Principio dell’analisi Principio dell’analisi PIXEPIXE

• dunque, anche le differenze tra di esse, cioè le dunque, anche le differenze tra di esse, cioè le energie dei raggi X, sono caratteristiche della energie dei raggi X, sono caratteristiche della specie atomica da cui sono emessispecie atomica da cui sono emessi

la rivelazione e classificazione delle energie X la rivelazione e classificazione delle energie X permette di identificare e quantificare i differenti permette di identificare e quantificare i differenti elementi presenti nel campione-bersaglio del elementi presenti nel campione-bersaglio del fasciofascio

• le energie degli elettroni nei diversi le energie degli elettroni nei diversi livelli atomici sono caratteristiche di livelli atomici sono caratteristiche di ciascuna specie atomicaciascuna specie atomica

Analisi di composizione di Analisi di composizione di qualunque materiale possa qualunque materiale possa

interessare interessare

Analisi di miniatureAnalisi di miniature

Analisi di Analisi di inchiostri in inchiostri in manoscritti manoscritti di interesse di interesse

storicostorico

Miniatura inizio XII secoloMiniatura inizio XII secolo

Miniatura fine XII secoloMiniatura fine XII secolo

Miniatura Miniatura da una da una

Bibbia del Bibbia del XIII secoloXIII secolo

Frontespizio Frontespizio Pl.16,22 Pl.16,22

(XV secolo)(XV secolo)

Misure con PIXE-esterno sui Misure con PIXE-esterno sui manoscritti -manoscritti - tempere blutempere blu

• uso esteso del lapislazzulo fin dal secolo XII uso esteso del lapislazzulo fin dal secolo XII

• probabilmente il carattere “sacro” del probabilmente il carattere “sacro” del contenuto dei testi implicava l’uso di un contenuto dei testi implicava l’uso di un

materiale prezioso, indipendentemente dal materiale prezioso, indipendentemente dal valore artistico della decorazionevalore artistico della decorazione

• il carattere quantitativo delle misure consente il carattere quantitativo delle misure consente una differenziazione fra i differenti tipi di una differenziazione fra i differenti tipi di

lapislazzulolapislazzulo

Lapislazzuli

0

200

400

600

800

1000

C o

n t

e g

g i

Na

Al

Si

S

K

Ca

Esempi di Esempi di spettri spettri PIXEPIXE

(pigmenti di (pigmenti di miniature)miniature)

Azzurrite

0

1000

2000

3000

4000

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

8000

9000

10000

Energia (eV)

C o

n t

e g

g i

Cu

SiCaCu Cu

Note di spesa nelNote di spesa nel Ms.Gal.26Ms.Gal.26

Il riordino cronologico delle note Il riordino cronologico delle note manoscritte sul moto è della manoscritte sul moto è della

massima importanza per la Storia massima importanza per la Storia della Scienzadella Scienza

• per ricostruire l’evoluzione del pensiero di per ricostruire l’evoluzione del pensiero di GalileoGalileo

• per correlarlo agli eventi della sua vitaper correlarlo agli eventi della sua vita

e allo sviluppo parallelo del pensiero scientifico e allo sviluppo parallelo del pensiero scientifico nel mondo della cultura europea del suo temponel mondo della cultura europea del suo tempo

Misura della composizione Misura della composizione degli inchiostri - Obbiettividegli inchiostri - Obbiettivi

• confronto della composizione con ricette confronto della composizione con ricette anticheantichescarsa documentazione storicascarsa documentazione storica

terminologia ambigua e qualitativaterminologia ambigua e qualitativa

• indagine sugli effetti del restauro delle carteindagine sugli effetti del restauro delle carte

• discriminazione fra inchiostri diversi per discriminazione fra inchiostri diversi per attribuzioni o datazioni indiretteattribuzioni o datazioni indirette

Inchiostri antichiInchiostri antichi

• inchiostri di nerofumo (non analizzabili inchiostri di nerofumo (non analizzabili con PIXE)con PIXE)

• inchiostri metallo-galliciinchiostri metallo-gallici

miscele di miscele di vetrioli vetrioli (solfati di ferro e altri (solfati di ferro e altri metalli, che spesso ne contengono diversi metalli, che spesso ne contengono diversi

in quantità rivelabili) con in quantità rivelabili) con tanninitannini (essenze (essenze vegetali estratte dalle noci di galla)vegetali estratte dalle noci di galla)

Caratterizzazione PIXECaratterizzazione PIXEdegli inchiostri metallo-gallicidegli inchiostri metallo-gallici

• i parametri caratterizzanti più utili sono i i parametri caratterizzanti più utili sono i

rapporti fra le quantità dei diversi metallirapporti fra le quantità dei diversi metalli

• le quantità relative di Fe, Ni, Cu, Zn, Pb le quantità relative di Fe, Ni, Cu, Zn, Pb

possono variare di molto fra inchiostro e possono variare di molto fra inchiostro e

inchiostroinchiostro

Esempi di spettri X di inchiostri Esempi di spettri X di inchiostri differentidifferenti

Principi dell’analisi RBS Principi dell’analisi RBS (Rutherford Back Scattering)(Rutherford Back Scattering)

In una collisione elastica di una particella In una collisione elastica di una particella del fascio con un nucleo del bersaglio la del fascio con un nucleo del bersaglio la

particella viene deflessaparticella viene deflessa

Per collisioni Per collisioni all’ indietroall’ indietro con nuclei di una con nuclei di una data massa M, l’energia della particella data massa M, l’energia della particella retrodiffusa è tanto più piccola quanto retrodiffusa è tanto più piccola quanto

maggiore è la massa del nucleo urtatomaggiore è la massa del nucleo urtato

Analisi RBSAnalisi RBS

Prima di subire una collisione con un nucleo, le particelle del Prima di subire una collisione con un nucleo, le particelle del fascio penetrano nel bersaglio perdendo progressivamente fascio penetrano nel bersaglio perdendo progressivamente energia a causa delle interazioni con gli elettroni. Anche dopo energia a causa delle interazioni con gli elettroni. Anche dopo l’urto, la particella retrodiffusa perde energia prima di l’urto, la particella retrodiffusa perde energia prima di “uscire” all’indietro verso il rivelatore“uscire” all’indietro verso il rivelatore

l’energia misurata di una particella diffusa dipende dunque l’energia misurata di una particella diffusa dipende dunque ancheanche dalla profondità alla quale è avvenuta la collisione dalla profondità alla quale è avvenuta la collisione

IN CONCLUSIONEIN CONCLUSIONE

lo spettro di energia delle particelle diffuse lo spettro di energia delle particelle diffuse fornisce informazioni fornisce informazioni sulla composizione del sulla composizione del

bersaglio bersaglio e e sulla distribuzione degli elementi in sulla distribuzione degli elementi in funzione della profonditàfunzione della profondità

Esempio di spettro RBS (simulazione)Esempio di spettro RBS (simulazione)protoniprotoni 3 MeV su un target infinitamente sottile con elementi vari 3 MeV su un target infinitamente sottile con elementi vari = 170°, risoluzione rivelatore (irrealistica) 1 keV FWHM = 170°, risoluzione rivelatore (irrealistica) 1 keV FWHM

Si noti (C, Si, S, Ca, Fe, Cu) la rivelazione dei diversi isotopi dello stesso elemento

Simulazione di spettro RBS ottenuto con Simulazione di spettro RBS ottenuto con alfa da 3 MeV su un campione spessoalfa da 3 MeV su un campione spesso

Bulk di Cu ricoperto con doratura di 1 m di spessore

= 170°, risoluzione 15 keV FWHM

Dalla larghezza del “picco” dell’oro si determina lo spessore della doratura (in quanto il dE/dx è noto)

Simulazione di spettro RBS ottenuto con Simulazione di spettro RBS ottenuto con alfa da 3 MeV su un campione spessoalfa da 3 MeV su un campione spesso

Carta spessa con strato di FeSO4 in superficie, di 2 m di spessore

= 170°, risoluzione 15 keV FWHM

Si noti il contributo dell’ossigeno allo spettro, che deriva sia dall’ossigeno nel solfato (in superficie) che da quello nella cellulosa della carta.

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