fisica e beni culturali
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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
Università degli Studi di Milano - Istituto di Fisica Generale Applicata
PIXE: external proton beam
Università degli Studi di Milano - Istituto di Fisica Generale Applicata
XRF SET UP
Università degli Studi di Milano - Istituto di Fisica Generale Applicata
Università degli Studi di Milano - Istituto di Fisica Generale Applicata
Università degli Studi di Milano - Istituto di Fisica Generale Applicata
NUCLEAR METHODS APPLIED TO CULTURAL
HERITAGE
International Conference
Roma-Venezia, May 24 –29 1973
Università degli Studi di Milano - Istituto di Fisica Generale Applicata
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 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.