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1. 2 - Indagine sulla Storia Indagine sulla Storia - ArcheometriaArcheometria - Il Metodo sperimentale per lArcheometriaIl Metodo sperimentale per lArcheometria.

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2 2 - Indagine sulla Storia Indagine sulla Storia - ArcheometriaArcheometria - Il Metodo sperimentale per lArcheometriaIl Metodo sperimentale per lArcheometria - La Scienza rispondeLa Scienza risponde - Per comprendere i metodi e le risposte:Per comprendere i metodi e le risposte: - Atomo e isotopiAtomo e isotopi Decadimento radioattivo Particelle alfa, beta e gamma: penetrazione nella materia Contatore Geiger Muller e misura - Onde elettromagneticheOnde elettromagnetiche - Grandezze fisiche e caratteristiche delle onde - Gli spettriGli spettri Spettro elettromagnetico LUCE e colori Spettri di emissione e di assorbimento Spettroscopia e Spettrofotometria

3 3 -Spettroscopia per lanalisi dei materiali di un oggetto darteSpettroscopia per lanalisi dei materiali di un oggetto darte -Analisi di datazione di un reperto archeologico inorganicoAnalisi di datazione di un reperto archeologico inorganico -Analisi di datazione di un reperto archeologico organico:Analisi di datazione di un reperto archeologico organico: - Datazione al radiocarbonio14 -LaboratorioLaboratorio - Radioattività e rilevazione con Geiger-Muller - Spettrogoniometro - Colorimetro

4 4 Lo studio delle civiltà antiche avviene mediante lo studio delle fonti scritte, quali sono le opere letterarie e lo studio dei Beni Culturali, quali sono i monumenti, i dipinti, le costruzioni di case, tombe, acquedotti, ecc. Larcheologia si occupa dello studio degli oggetti e dei materiali ritrovati e delle loro analisi scientifiche o di Archeometria. I risultati di tali analisi forniscono agli storici i dati significativi per la conoscenza della storia dei popoli.

5 5 Linterazione tra Scienza e Beni Culturali ha portato alla nascita di una disciplina, detta Archeometria cioè misura su ciò che è antico Il significato è stato esteso più in generale a tutti i metodi scientifici di analisi rivolti a ottenere la caratterizzazione della materia o la diagnostica dello stato di conservazione di qualunque oggetto, non necessariamente antico, che sia annoverabile tra quelli di interesse per la storia dellarte o più in generale della civiltà umana.

6 6 LArcheometria si occupa delle applicazioni di tecniche e metodologie scientifiche (fisiche, biologiche, chimiche, geologiche, ecc.) applicate ai Beni Culturali ed è in grado di - Eseguire la datazione delloggetto - Verificare la provenienza e loriginalità del reperto - Orientare, con diagnostiche in tempo reale, le operazioni di conservazione e di restauro di opere d'arte. Molte di queste tecniche di indagine sono preferite perché NON distruttive e si basano sullinterazione dei materiali di un oggetto artistico o archeologico con le onde elettromagnetiche.

7 7 I metodi dellArcheometria sono scientifici e quindi consistono nellapplicazione del metodo sperimentale e delle sue fasi: - Osservazione - Scelta delle grandezze significative - Ipotesi - Esperimento di misure ad hoc - Risposta alla domanda: Lipotesi è vera? -Conclusioni. Lo storico o larcheologo fornisce alla Scienza le sue osservazioni e i suoi dati significativi per larte e la storia e chiede al fisico-chimico di eseguire esperienze di misura che possano verificare una delle sue ipotesi.

8 8 Esempi: Se questo quadro è autentico non può essere stato dipinto con vernici che non esistevano al tempo in cui è vissuto lautore, quindi lanalisi degli elementi sarà necessaria anche se non sufficiente. La Sindone può essere datata nel periodo della morte di Cristo?, Quali materiali usavano i Romani per le costruzioni? I tubi di piombo degli acquedotti influenzavano la salute delle popolazioni? La Scienza risponde attivando le sue conoscenze, i suoi strumenti e i suoi metodi con esperimenti ideati ad hoc e fornisce delle risposte univoche, nei limiti delle incertezze delle misurazioni eseguite Gli storici e gli archeologi elaborano tali risultati in funzione della conoscenza dei Beni Culturali e quindi della Storia.

9 9 Eseguendo analisi fisico-chimiche dette: - distruttive se prevedono il prelievo di campioni (piccoli pezzi staccati dal reperto), - non ditruttive se possono essere eseguite sullintero reperto, senza provocare alcun danno. A domande in merito a : - Datazione di un oggetto storico - Elementi costitutivi delloggetto Utilizzando strumenti e tecnologie che si basano sulla moderna conoscenza - della struttura della materia, - delle onde elettromagnetiche, - e della loro interazione.

10 10 Bisogna sapere che LATOMO di un elemento e la MOLECOLA di una sostanza, hanno delle caratteristiche microscopiche che li caratterizzano univocamente. Tali caratteristiche fisiche permettono di individuarli studiando i risultati (SPETTRI) della loro INTERAZIONE con le ONDE ELETTROMAGNETICHE (o radiazione) Pertanto è indispensabile conoscere almeno la nomenclatura e le definizioni di: ATOMO e isotopi ATOMO e isotopi ONDE ELETTROMAGNETICHE SPETTRIONDE ELETTROMAGNETICHE SPETTRI

11 11 Latomo è un costituente semplice della materia, la sua struttura consiste in un nucleo contenente cariche positive dette protoni, particelle neutre dette neutroni, ed una o più particelle di carica negativa dette elettroni. Ciascuna particella possiede unenergia E = hν dove h = costante di Plank e ν = frequenza. Laumento dellenergia dellelettrone o la diminuzione avviene solo per particolari valori discreti e caratteristici del particolare atomo considerato es: E = h ( v 3 – v 2 )

12 12 Il numero atomico A = p + è Il numero totale di protoni (p) nel nucleo (= numero di elettroni ) e determina di quale elemento chimico si tratta. Il numero di massa M = p + + n è la somma del numero totale di protoni (p + ) più il numero totale di neutroni (n) presenti nel nucleo dellatomo. Gli isotopi sono atomi di uno stesso elemento che hanno diverso il numero n di neutroni e quindi diverso numero di massa M. Gli isotopi sono identificati dal nome dell'elemento e dal numero di massa (esempio: ferro-54, ferro-56, ecc.) Il ferro presente in natura é costituito da 4 isotopi, tutti con 26 protoni ma ognuno con 28, 30, 31 e 32 neutroni rispettivamente. In natura esistono circa 90 elementi (dall'idrogeno, il più leggero, all'uranio, il più pesante) e circa 270 isotopi.Esempi: Il carbonio 14C isotopo naturale del C12 che ha una vita media di 8266 anni, è usato per la datazione. il plutonio-239 (94 protoni, 145 neutroni), isotopo artificiale usato come combustibile nelle centrali nucleari. Il DECADIMENTO RADIOATTIVO consiste nella trasformazione degli isotopi in altri atomi per emissione di particelle alfa (nuclei di elio 2p+2n), particelle beta (elettroni) e radiazioni ionizzanti o particelle gamma.DECADIMENTO RADIOATTIVO Torna a d. 9

13 13 Alcuni isotopi naturali, e quasi tutti gli isotopi artificiali, presentano nuclei instabili, a causa di un eccesso di protoni e/o di neutroni Tale instabilità provoca la trasformazione spontanea in altri isotopi, accompagnata da emissione di radiazioni ionizzanti per cui essi sono chiamati isotopi radioattivi, o anche radioisotopi, o anche radionuclidi. La trasformazione avviene per emissione di: - Particelle α = 2p + 2n (nuclei di elio) - Particelle β = e ( elettroni) - Particelle gamma (= radiazione elettromagnetica ) La trasformazione di un atomo radioattivo porta alla produzione di un altro atomo, che può essere anch'esso radioattivo oppure stabile. Essa é chiamata disintegrazione o decadimento radioattivo.

14 14 Una misura del tempo della trasformazione é data dal tempo di dimezzamento, o tempo di vita media o emi-vita, che esprime il tempo t 1/2 che un numero N 0 di atomi radioattivi impiega per diventare N = N 0 / 2 Es. ll radioisotopo artificiale tecnezio-99m ha un t 1/2 di 6 ore il radioisotopo artificiale iodio-131 ha un t 1/2 di 8 giorni; il radioisotopo naturale potassio-40 ha un t 1/2 di 1,3 miliardi di anni. Dopo dieci tempi di dimezzamento, la radioattività di un radioisotopo é mille volte minore di quella iniziale infatti

15 15 Ciò che si può fare, dato un campione di un particolare isotopo, è notare che il numero di decadimenti rispetta una precisa legge statistica. Il numero di decadimenti che ci si aspetta avvenga in un intervallo dt è proporzionale al numero di atomi presenti secondo la costante di decadimento λ. Questa legge può essere descritta tramite la equazione differenziale del primo ordine :isotopo e integrando fra N 0 ed N si ha: ln N = - λ t e quindi ln N – ln N 0 = - λ t ln N / N 0 = - λ t applicando lesponenziale si trova la soluzione: N(t) = N 0 e - λ t oppure N (t) = N 0 e - t / τ che rappresenta un decadimento esponenziale. Bisogna notare che questa rappresenta solamente una soluzione approssimata, ma poiché nella gran parte dei casi N è estremamente grande la funzione fornisce un'ottima approssimazione. La vita media (media aritmetica sui tempi di vita di tutti gli atomi della stessa specie), viene rappresentata dal simbolo τ, legato a λ dalla : Poiché si definisce t 1/2 il tempo in cui N = N 0 / 2 risulta ln N / N 0 = ln ½ = - ln2 e ln2 = λ t 1/2. e anche τ ln2 = t 1/2.

16 16 La quantità di radioattività (numero di isotopi in un campione), viene espressa con il numero di disintegrazioni di nuclei radioattivi per unità di tempo. L'unità di misura é il becquerel: 1 becquerel = 1 Bq = 1 disintegrazione al secondo. Poiché questa unità di misura é assai piccola, la radioattività si esprime molto spesso in multipli di becquerel: 1 kBq = mille Bq 1 MBq = un milione di Bq 1 GBq = un miliardo di Bq 1 TBq = mille miliardi di Bq L'unità di misura usata in precedenza era il curie, (simbolo: Ci) definita come la quantità di radioattività presente in un grammo di radio, elemento naturale che si trova assieme all'uranio 1 curie = 1 Ci = 37 miliardi di Bq

17 17 Nel 1928 il Sig. Hans Geiger insieme all'aiuto di Muller (un Fisico suo studente) riuscì a completare la costruzione di uno strumento che rilevava tutte le radiazioni ionizzanti: alfa, beta gamma e X. Il nome completo e corretto dello strumento divenne allora "Contatore Geiger Muller". Molti contatori geiger sul mercato anche oggi, non rilevano le particelle alfa, ma si fermano alle beta- gamma. Questa è una prima divisione netta tra gli strumenti economici e quelli più professionali La costruzione in linea teorica è semplice. Un cilindro riempito di un Gas Alogeno Inerte. Un voltaggio applicato che in genere varia dai ~400 volts ai ~900 volts a seconda del tubo geiger impiegato. Quando una radiazione ionizzante lo urta, crea all'interno del tubo geiger, un innalzamento della corrente elettrica, che poi uno strumento analogico o digitale collegato all'uscita ne mostra i valori. Attraverso lo speaker è anche possibile sentire la singola ionizzazione del tubo, oppure il classico "treno" di radiazioni ionizzanti.

18 18 E' molto importante che questi valori si attengano entro certi limiti di affidabilità ovvero devono attenersi ad una calibrazione che generalmente viene eseguita spesso annualmente, con il rilascio di un certificato per quelle situazioni che necessitano di professionalità nelle misurazioni. Molti vecchi contatori geiger e surplus militari infatti, non sono più attendibili. I componenti elettrici dopo anni hanno un cedimento. Sempre più spesso invece nelle aste,mercatini, negozi militari,ecc vengono spacciati contatori geiger quando invece gli strumenti sono "Camere di ionizzazione". Esse sono studiate per rilevare grandi quantitativi di radiazioni e per questo con scale di misura non utili alla protezione radiologica civile. Ne troviamo un largo utilizzo nel settore Militare o utilizzati in un evento disastroso come Chernobyl, o lo sgancio di un ordigno nucleare. Molti acquirenti ignari infatti "non vedranno mai muoversi l'ago..." credendo (a torto) di non avere radioattività... quando invece è vero il contrario ma non così forte da far reagire una camera di Ionizzazione.

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20 20 Radioattività alfa α = 2p + 2n Atomi nei cui nuclei sono contenute quantità eccessive di protoni e neutroni emettono di solito una radiazione alfa, costituita da un nucleo di elio (due protoni + due neutroni), e avente due cariche positive. Tale disintegrazione porta alla formazione di un isotopo di altro elemento chimico, avente numero atomico diminuito di due unità e numero di massa diminuito di quattro unità. Esempio: l'uranio 238 (92 protoni neutroni) emette radioattività alfa trasformandosi in torio-234 (90 protoni neutroni), con un tempo di dimezzamento di 4,5 miliardi di anni. Le radiazioni alfa, per la loro natura, sono poco penetranti e possono essere completamente bloccate da un semplice foglio di carta.

21 21 Radioattività beta = e Atomi nei cui nuclei sono contenute quantità eccessive di neutroni emettono di solito una radiazione beta, costituita da un elettrone. In particolare, uno dei neutroni del nucleo si disintegra in un protone e in un elettrone, che viene emesso. Tale disintegrazione porta alla formazione di un isotopo di altro elemento chimico, avente numero atomico A aumentato di una unità (il protone in più) e numero di massa M invariato (il protone si é sostituito al neutrone). Esempio: il cobalto-60 (27 protoni + 33 neutroni) emette radioattività beta trasformandosi in nichel-60 (28 protoni + 32 neutroni), con un tempo di dimezzamento di 5,3 anni. Le radiazioni beta sono più penetranti di quelle alfa, ma possono essere completamente bloccate da piccoli spessori di materiali metallici (ad esempio, pochi millimetri di alluminio).

22 22 Radioattività gamma = radiazione e.m. La radiazione gamma é una onda elettromagnetica come la luce o i raggi X, ma assai più energetica. La radiazione gamma accompagna solitamente una radiazione alfa o una radiazione beta. Infatti, dopo l'emissione alfa o beta, il nucleo é ancora eccitato perché i suoi protoni e neutroni non hanno ancora raggiunto la nuova situazione di equilibrio: di conseguenza, il nucleo si libera rapidamente del surplus di energia attraverso l'emissione di una radiazione gamma. Esempio: il cobalto-60 si trasforma per disintegrazione beta in nichel-60, che raggiunge il suo stato di equilibrio emettendo una radiazione gamma. Al contrario delle radiazioni alfa e beta, le radiazioni gamma sono molto penetranti, e per bloccarle occorrono rilevanti spessori di materiali ad elevata densità come il piombo.

23 23 Le onde elettromagnetiche consistono in una forma di energia che si propaga, anche nel vuoto: sono la simultanea propagazione nello spazio delle oscillazioni di un campo elettrico e di un campo magnetico (generati dalle oscillazioni di cariche elettriche). Londa elettromagnetica più famosa è detta LUCE

24 24 Lunghezza donda (λ): distanza tra due massimi Ampiezza: distanza verticale tra un massimo e lasse delle ascisse Periodo (T): è il tempo occorrente per compiere una oscillazione completa o per percorrere uno spazio pari a λ. Il periodo è l'inverso della frequenza Frequenza ( ): numero di oscillazioni in 1 secondo (1 Hz = 1 ciclo/s) uguale allinverso del periodo = 1 / T. Essa è inversamente proporzionale alla lunghezza donda avente velocità di propagazione V : V / λ Velocità di propagazione (V) : V media = λ T = λ essa dipende dal mezzo in cui si propaga londa Unonda elettromagnetica si propaga anche nel vuoto e la sua velocità è c km/s. In un altro mezzo essa diminuisce Secondo gli studi di ottica V media = c/n = λ dove n è lindice di rifrazione assoluto del mezzo definito come il rapporto, fra la velocità nel vuoto e la velocità nel mezzo considerato, per cui risulta n vuoto = 1, n aria = 1,0003 (V aria = c), n vetro ~1,5 (V vetro ~ 0.67 c).

25 25 INTERFERENZA e DIFFRAZIONE Torna a d. 9

26 26 Definizione della parola SPETTRO: campo di azione o distribuzione di una proprietà o di una caratteristica di un insieme di fenomeni. Es.: spettro di azione di un antibiotico, spettro delle diverse masse presenti in un fascio di particelle, spettro delle frequenze presenti in una radiazione. Definizione di SPETTRO di una radiazione Quando si studia una radiazione si opera con strumenti in grado di scomporla nelle sue diverse frequenze e di rilevarle. Il risultato della scomposizione è lo SPETTRO della radiazione in esame che è in generale un DIAGRAMMA di distribuzione di una proprietà caratteristica delle radiazioni (frequenza, lunghezza donda, energia) In un certo intervallo di frequenza il nostro occhio è in grado di vedere le diverse frequenze presenti distinte per colore perciò si parla di SPETTRO come FIGURA

27 27 Rispetto alla Figura ottenuta uno spettro è detto: – continuo: se sono presenti le radiazioni di tutte le frequenze; ad esempio la luce 'bianca emessa da una comune lampadina a incandescenza ha uno spettro continuo (nel visibile) – discontinuo a righe (atomi) cioè con la presenza di righe colorate corrispondenti ad alcune frequenze nel visibile e la mancanza di altre -discontinuo a bande (molecole) cioè con la presenza di alcuni intervalli di frequenza più ampi.

28 28 Rispetto al significato fisico ed operativo, uno spettro è detto: 1)SPETTRO di assorbimento. La radiazione analizzata è quella trasmessa, dopo aver attraversato la sostanza in esame ed essere stata in parte assorbita da atomi o molecole che transitano a livelli energetici più alti. Essa presenta frequenze mancanti (perché assorbite) 2)SPETTRO di emissione. La radiazione analizzata è quella emessa dagli atomi o dalle molecole della sostanza, che si trovano a livelli energetici più alti e perdono energia per tornare ai livelli iniziali. Tale assorbimento o emissione avviene per frazioni di energia E = hν dette quanti o pacchetti donda di frequenza ν, che sono caratteristici di ciascun atomo o elemento costitutivo della sostanza irradiata. Per una stessa sostanza lo spettro di emissione e di assorbimento sono pressappoco come il positivo e il negativo di una fotografia, nel senso che una radiazione presente nello spettro di emissione sarà mancante in quello di assorbimento. La SPETTROSCOPIA è la scienza che si occupa dello studio di tali tipi di spettriSPETTROSCOPIA

29 29 La relativa semplicità degli spettri atomici a righe è dovuta al ridotto numero di stati energetici. Infatti per gli atomi avvengono solo transizioni elettroniche: uno o più elettroni dellatomo viene eccitato ad un livello energetico più alto o decade al livello più basso. Lassorbimento ( lemissione) molecolare invece è più complesso e il risultato è uno spettro a bande perché in una molecola lenergia assorbita va ad incrementare anche altre forme di energia per cui avvengono: – Transizioni elettroniche – Transizioni vibrazionali – Transizioni rotazionali Emolecola = Enuclei + Eelettroni interni + Eelettroni legame + Evibrazionale + Erotazionale + Etraslazionale Torna a d. 9

30 30 La Spettroscopia è la scienza utilizzata spesso in fisica e in chimica analitica per lidentificazione e la quantificazione di sostanze, attraverso lo studio dello spettro di assorbimento o di emissione della sostanza in esame. Per IDENTIFICARE la sostanza bisogna operare nel seguente modo: 1)Irradiare la sostanza da identificare con radiazione di frequenze ed energia note e analizzare lo spettro della radiazione uscente dopo lassorbimento. OPPURE 1) Fornire energia agli atomi e alle molecole di una sostanza da identificare attraverso altri metodi (es.: interazione con elettroni accelerati da una differenza di potenziale). Analizzare lo spettro della radiazione uscente. 2) Scomporre la radiazione (per rifrazione o per diffrazione) 3) Raccogliere il risultato Figura su uno schermo (o la nostra rètina) eseguire misure di lunghezze donda, frequenze e quindi di energia e intensità ed elaborare eventuali Diagrammi

31 31 La spettrofotometria è un metodo di spettroscopia in riflettanza. Essa è la tecnica di indagine ottica basata sulla misura del fattore di riflettanza spettrale della superficie di un dipinto in funzione della lunghezza donda della radiazione incidente. Il fattore di riflettanza è espresso come rapporto fra lintensità della radiazione riflessa e lintensità della radiazione incidente, in funzione della lunghezza d'onda. Le misure di riflettanza interessano in genere la regione dall'ultravioletto all'infrarosso; il DIAGRAMMA dellintensità, in valore relativo, in funzione della lunghezza donda fornisce lo spettro di riflettanza caratteristico del materiale pittorico, altrimenti detto firma spettrale Torna a d. 25

32 32 Definizione di SPETTRO ELETTROMAGNETICO Le radiazioni sono onde elettromagnetiche caratterizzate da una lunghezza d'onda e da una frequenza. L'insieme delle radiazioni suddivise secondo le frequenze costituisce lo spettro elettromagnetico. Poiché la lunghezza d'onda e la frequenza di una radiazione sono inversamente proporzionali, tanto minore sarà la lunghezza d'onda, tanto maggiore sarà la frequenza e quindi l'energia. Con la vista riusciamo a percepire lunghezze d'onda comprese tra i 400 e i 700 nanometri (1nm = m) a cui diamo il nome di luce visibile. Lunghezze d'onda minori corrispondono ai raggi ultravioletti, ai raggi X ed ai raggi gamma che hanno tutti quindi frequenza superiore alla luce visibile e perciò maggiore energia. Le radiazioni infrarosse, le onde radio e le microonde hanno invece lunghezze d'onda maggiori della luce e trasportano energia inferiore.

33 33 La LUCE costituisce dunque solo una piccola parte dello SPETTRO ELETTROMAGNETICO che è detta visibile. frequenza Lunghezza donda Raggi gamma – raggi X – raggi UV – visibile – infrarossi – onde radio microonde (1mm – 10 cm)

34 34 La radiazione visibile Luce presenta un colore diverso per ogni diversa frequenza o lunghezza donda. La radiazione visibile monocromatica presenta una frequenza unica La radiazione incidente su un corpo viene in parte assorbita e in parte riflessa, i colori che i nostri occhi registrano sono quelli della radiazione riflessa, perciò vediamo verde un corpo se esso riflette la radiazione verde e assorbe le altre frequenze presenti. Il colore nero corrisponde allassorbimento di tutta la radiazione incidente. Il colore bianco corrisponde alla riflessione di tutta la radiazione solare incidente.

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36 36 I metodi della Spettroscopia e della Spettrofotometria: Ad ogni frequenza v è associato un quanto di energia E = h v e luso di radiazione di diversa frequenza ed energia permette di penetrare più o meno profondamente nella materia ed ottenere le risposte desiderate analizzando gli spettri di emissione o di assorbimento o di riflettanza Osservare un dipinto antico nelle bande della radiazione elettromagnetica invisibili allocchio umano può riservare notevoli sorprese. Il disegno preparatorio, nascosto alla nostra vista da quando il pittore completò lopera, riappare a volte sul monitor della Riflettografia Infrarossa (= radiazione infrarossa incidente sul dipinto e analizzata con spettrofotometro) Pentimenti, ossia variazioni della composizione pittorica, sono riscontrabili con la anche con la radiografia X (= radiazione incidente raggi X ) Ritocchi e restauri sono spesso evidenziati dallosservazione della Fluorescenza UV (= radiazione incidente ultravioletta)

37 37 -Analisi che utilizzano raggi X servono soprattutto perché essi possono attraversare corpi opachi e molto spessi. Limmagine che appare sulla lastra radiografica è determinata dal minor o maggiore assorbimento di raggi X da parte delloggetto in esame e dalla maggior opacità ai raggi X di certi pigmenti. Infatti tutti i pigmenti con elevato peso atomico, come quelli che contengono piombo o mercurio assorbono maggiormente i raggi X per cui, sulla lastra, risultano più chiari mentre i pigmenti organici appaiono più scuri. La radiografia di un quadro può fornire informazioni sulla tecnica usata dal pittore e può aiutare a stabilire lautenticità di un opera. Permette inoltre di verificare la presenza su superfici pittoriche di depositi di composti di zolfo e cloro, dovuti allinquinamento atmosferico ed eseguire i test sui prodotti da utilizzare per la pulitura dellopera. -Analisi che utilizzano raggi gamma, con dovute precauzioni, poiché si tratta di radiazioni molto pericolose per gli organismi viventi; vengono impiegate soprattutto per lindagine in profondità di oggetti tridimensionali (statue ecc.) eseguite con materiali molto opachi in modo simile a quello che abbiamo visto per i raggi X: limmagine delloggetto viene registrata su di una lastra radiografica

38 38 Le analisi di datazione di reperti non organici quali vasi, manoscritti ecc. sono: la fluorescenza a raggi X e la termoluminescenza. La fluorescenza è uno dei due processi radiativi con cui si può verificare il rilassamento di una molecola eccitata, l'altro è la fosforescenza. Nella fluorescenza la luminescenza cessa quasi subito dopo aver eliminato la radiazione eccitante, mentre nella fosforescenza la radiazione continua ad essere emessa, almeno per un breve lasso di tempo, anche dopo aver eliminato la sorgente eccitante. La termoluminescenza è un metodo che si basa sul riscaldamento delloggetto in esame e il conteggio degli elettroni liberati. Le analisi di datazione dei reperti organici utilizzano il radiocarbonio14 con spettrometro di massa.

39 39 Radioattività naturale e datazione al radiocarbonio14 Tutto quello che ci circonda é "naturalmente" radioattivo sia perché esistono in natura isotopi radioattivi sia perché esiste lapporto di radioattività prodotta dal bombardamento di raggi cosmici. Dall'alba dei tempi fino ad oggi, gli esseri viventi sono perciò immersi in un vero e proprio bagno di radioattività. In Italia la dose di radioattività naturale cui é sottoposto annualmente ciascun individuo é pari approssimativamente alla dose associata ad una radiografia del torace moltiplicata per venti. Un chilogrammo di granito ha una radioattività naturale di circa 1000 Bq Un litro di latte ha una radioattività naturale di circa 80 Becquerel Un litro di acqua di mare ha una radioattività naturale di circa 10 Bq Un individuo di 70 kg ha una radioattività dell'ordine di 8000 Bq, causata dalla presenza, nel corpo umano, di isotopi radioattivi naturali. I raggi cosmici sono una radiazione energetica proveniente dallo spazio esterno, alla quale è esposta la Terra e qualunque altro corpo celeste, nonché i satelliti e gli astronauti in passeggiata spaziale. La loro natura è molto varia (l'energia cinetica dei raggi cosmici è distribuita su quattordici ordini di grandezza), così come varia è la loro origine: il Sole, le altre stelle, fenomeni energetici come novae e, supernovae, fino ad oggetti remoti e ancora misteriosi come i quasar.radiazioneTerracorpo celestesatelliti astronautienergia cineticaordini di grandezzaSolestellenovae supernovaequasar

40 40 La maggior parte dei raggi cosmici che arrivano sulla Terra vengono fermati dall'atmosfera, con interazioni che tipicamente producono una cascata di particelle secondarie a partire da una singola particella energetica. Tali particelle possono arrivare fino alla superficie terrestre ed essere osservate con speciali apparecchiature. È per evitare queste interferenze che molti laboratori di fisica si trovano nel sottosuolo, come il laboratorio del Gran Sasso.atmosferalaboratorio del Gran Sasso PRODUZIONE DI Anidride carbonica 14 CO 2 I neutroni secondari prodotti dalla interazione dei raggi cosmici con l'atmosfera, interagendo a loro volta con un isotopo dell'azoto atmosferico (14N), danno luogo, prevalentemente nella stratosfera ad alte latitudini, alla produzione di 14C tramite una reazione nucleare di scambio carica (n,p). Il 14C radioattivo si lega all'ossigeno atmosferico formando una molecola di anidride carbonica 14CO 2. In pochi anni l'anidride carbonica così prodotta si mescola a quella contenente gli altri isotopi del Carbonio. IPOTESI per analisi di datazione di reperti organici. Nel corso dei primi millenni seguenti la formazione dell'atmosfera terrestre, il bilancio tra produzione e decadimento radioattivo del 14C ha raggiunto l'equilibrio e se il tasso di produzione non è cambiato si può ritenere costante anche il rapporto isotopico 14C/12C dell'anidride carbonica nellatmosfera e negli organismi viventi.

41 41 Il Carbonio contenuto in tutti gli organismi viventi della biosfera terrestre ha la stessa composizione isotopica del carbonio dell'anidride carbonica atmosferica, grazie ai processi di scambio che caratterizzano il ciclo biologico dell'elemento (fotosintesi e metabolismo di piante ed animali). Datazione al radiocarbonio14 Dal momento della morte biologica però il rapporto isotopico negli organismi decresce continuamente secondo la nota legge esponenziale caratterizzata dalla vita media del 14C. Dalla misura del tasso di decadimento (metodo radiometrico) o dell'abbondanza relativa (spettrometria di massa) in un reperto è possibile ottenere il tempo trascorso dall'evento considerato. Con il metodo radiometrico il rapporto isotopico è misurato attraverso il conteggio delle particelle ß emesse dal 14C contenuto nel campione. Con il metodo della spettrometria di massa si conta invece il numero di nuclei di 14C presenti nel reperto. La datazione di reperti di varia natura di età compresa tra 0 e circa anni può essere effettuata utilizzando il metodo del Radiocarbonio, purché essi contengano Carbonio di origine organica, come è il caso per carbone, legno, tessuti, ossa, paleosuoli, etc

42 42 Quando una radiazione elettromagnetica (interagisce) passa attraverso uno strato di sostanza solida liquida o gassosa, viene in parte trasmessa e in parte assorbita, cioè la sua energia viene trasferita agli atomi, ioni o molecole che costituiscono la sostanza. Lassorbimento di radiazione promuove queste particelle dal loro stato normale (fondamentale) a temperatura ambiente, a uno o più stati eccitati ad energia più alta. Tale assorbimento avviene per frazioni di energia E = hν dette quanti o pacchetti donda di frequenza ν, che sono caratteristici di ciascun atomo o elemento costitutivo della sostanza irradiata. La radiazione trasmessa uscente, dopo lassorbimento, è quindi priva di alcune frequenze e la sua analisi conduce allindividuazione degli elementi che hanno assorbito. Linsieme della radiazione uscente è detto Spettro di assorbimento della sostanza considerata.

43 43 Quando tali particelle tornano allo stato di energia fondamentale, emettono le stesse quantità di energia che avevano assorbito per passare allo stato di energia più alta. Linsieme delle radiazioni emesse costituiscono lo Spettro di emissione. N.B. Per una stessa sostanza lo spettro di emissione e di assorbimento sono pressappoco come il positivo e il negativo di una fotografia, nel senso che una radiazione presente nello spettro di emissione sarà mancante in quello di assorbimento.

44 44 Nel nostro laboratorio abbiamo uno spettroscopio portatile e uno 1) spettrogoniometro per la misura degli angoli di deviazione, per rifrazione attraverso un prisma o per diffrazione attraverso un reticolo, della radiazione proveniente da una lampada a gas. Lo studio e la misura di tali angoli costituiscono lo studio di uno spettro di emissione a righe e la possibilità di individuare la natura del gas che emette la radiazione. 2) Un altro strumento utile questa volta per lanalisi della sostanza acqua è il colorimetro o sensore di torbidezza. Esso permette la misura dellassorbanza (intensità di radiazione assorbita) in funzione della concentrazione nota di qualche solvente. Esso consiste in un emettitore di radiazione monocromatica che incide sulla sostanza in esame e in parte viene assorbita 3) Infine abbiamo un contatore geiger muller di radiazione gamma e beta (elettroni)

45 45 La radioattività cosè Lo schermo al piombo può forse provare la diminuzione della radiazione registrata. Analisi al radiocarbonio14 per la datazione Il piombo dagli acquedotti ai reperti organici delle popolazioni.

46 46 Spettroscopio Lo spettroscopio è costituito da un collimatore e da un cannocchiale fra cui è possibile inserire un prisma o un reticolo. Il collimatore presenta una fenditura di dimensioni regolabilie una lente allinterno che collima la radiazione entrante in un fascio di raggi paralleli che incidono sul reticolo. Il reticolo di passo d = 1000 linee su mm costituisce un insieme di fenditure attraverso cui la luce viene disfatta secondo angoli di deviazione diversi secondo la lunghezza donda. Dalla misura dellangolo di deviazione e dalla conoscenza del fenomeno di diffrazione e del passo del reticolo si risale alla determinazione dellatomo dellelemento che emette. Strumento usato in chimica per l'osservazione e l'analisi della radiazione elettromagnetica emessa da una sorgente, generalmente un elemento o una sostanza. Può essere a prisma, se utilizza un prisma ottico, o a reticolo, se viene usato un reticolo di diffrazione. Il suo potere risolutivo è dato dal rapporto: λ / dλchimicaradiazione elettromagneticadiffrazione dove λ è la lunghezza d'onda e dλ è la differenza fra le due più vicine lunghezze d'onda che si riescono a risolvere.lunghezza d'onda

47 47 Lo spettroscopio è uno strumento formato da un collimatore, un cannocchiale, un piattino, una piattaforma e due noni. Il collimatore è un tubo metallico fisso al cui interno sono disposte in maniera opportuna lenti convergenti. È regolabile in lunghezza e inclinabile mediante viti, e termina da un lato con una fessura di larghezza regolabile. Laltro termine si affaccia sul piattino dove si trova il reticolo o il prisma. Anche il piattino è regolabile in inclinazione mediante due viti e in altezza allungando o accorciando lasta che lo sorregge, ed è libero di ruotare. Sotto lasta che sorregge il piattino si trova un goniometro con i due noni. Il cannocchiale è simile al collimatore ma è libero di ruotare ed è provvisto di oculare per lindividuazione del raggio deviato. Il cannocchiale può essere fissato con delle viti per renderlo più stabile ai movimenti accidentali, e può essere regolato con regolamento fine da una manopola.


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