Villa Gualino, febbraio 2002 Mario Romano Fisica Nucleare e Beni Culturali Il materiale utlizzato per questo seminario è una rielaborazione ed integrazione di lezioni, gentilmente concesse dal Prof:P.A.Mando (Univ. di Firenze)

2 Ruolo della Scienza per i Beni Culturali In generale, le interazioni fra Scienza e Beni Culturali hanno luogo in due fasi: 1) conoscenza e diagnosi 2) intervento sulle opere

3 Ruolo della Fisica per i Beni Culturali il grande vantaggio della quasi totalità delle tecniche fisiche nella fase conoscitiva-diagnostica sta nella non invasività (possibilità di rispondere al problema senza effettuare prelievi o comunque danneggiare l’opera)il grande vantaggio della quasi totalità delle tecniche fisiche nella fase conoscitiva-diagnostica sta nella non invasività (possibilità di rispondere al problema senza effettuare prelievi o comunque danneggiare l’opera)

4 Utenza 1)storici dell’arte, archeologi, storici della scienza o delle tecnologie, etc. 1) storici dell’arte, archeologi, storici della scienza o delle tecnologie, etc. conoscenze “puntuali” su una singola opera per chiarire dubbi di attribuzione e cronologia e portare informazioni sulla specifica tecnica impiegata dall’autoreconoscenze “puntuali” su una singola opera per chiarire dubbi di attribuzione e cronologia e portare informazioni sulla specifica tecnica impiegata dall’autore indagini più generali per tendenze storiche, fonti di approvvigionamento dei materiali, canali di scambio in varie epoche, etc. indagini più generali per tendenze storiche, fonti di approvvigionamento dei materiali, canali di scambio in varie epoche, etc.

5 Utenza 2) restauratori e conservatori conoscenza dello stato di degrado delle opere conoscenza dello stato di degrado delle opere conoscenza del materiale su cui intervenire per evitare incompatibilità e irreversibilità nella fase di restauro conoscenza del materiale su cui intervenire per evitare incompatibilità e irreversibilità nella fase di restauro

6 Fisica Nucleare e Beni Culturali datazioni di reperti di interesse storico-archeologico datazioni di reperti di interesse storico-archeologico (metodo del 14 C, termoluminescenza,Pixe,RBS)

7 14 C 0 T 1/2 =5730 a 0 + ;T=1 Q  - = % 14 N 1 + ;T=0 0 Datazioni col metodo del 14 C Decadimento del 14 C

8 1 H:99,985% 2 H: 0,015% 12 C: 98,89% 13 C: 1,11% 14 C: instabile 3 H: instabile isotopi

9 Isotopi radioattivi 12 C o 13 C 14 C dopo 5730y pari a T 1/2

10 Andamento del 14C

11 Orologio Nucleare

12 Rapporto 14C/13C

13 Limite della datazione

14 Diversi elementi consentono datazioni per intervalli di tempo superiori a anni. Per la determinazione di età relativamente recenti si ricorre a elementi radioattivi di vita breve. Il metodo più usato, specialmente per datare i reperti organici, è quello del radiocarbonio, basato sul decadimento del carbonio -14 ( 14 C) ad azoto -14 ( 14 N). Metodi di radiodatazione radionucl idi prodotti del decadimento tempo di dimezzamento intervallo di tempo in anni valido per la datazione 87 Rb 87 Sr1,47· ,5·10 9  Th 208 Pb 4 He1,39· ,5·10 9  U 206 Pb 4 He4,5·10 9 4,5·10 9  U 207 Pb 4 He7,1·10 8 4,5 · 10 9  K 40 Ar1,33·10 9 4,5·10 9  C 14 N5,73·10 3 max 40·10 3

15 Isotopi del Cl

16 Datazioni col metodo del 14 C Presupposto:Presupposto: Nell’atmosfera è presente, a causa del bombardamento cui sono sottoposte le molecole dell’aria da parte della radiazione cosmica, una determinata concentrazione di 14 C (essenzialmente sotto forma di molecole di 14 CO 2 ) rispetto al carbonio totale. La concentrazione (atomica) è di circa produzione del 14 C in atmosfera: protoni cosmici su O, N nella troposfera  reazioni (p,n)  termalizzazione dei neutroni  14 N(n,p) 14 C [  th  1 barn] rate di produzione medio di 14 C: 2.2 cm -2 s -1 massimo di produzione tra i 15 e i 18 Km

17 Principio della datazione col 14 C assunzioni schematiche (non necessariamente esatte): La concentrazione in atmosfera è costante al variare del luogo. Un’uguale concentrazione si trova anche nelle acque terrestri, in cui la CO 2 atmosferica entra in soluzione. Anche nel passato la concentrazione in atmosfera è stata costante, uguale all’attuale valore. Ogni organismo nella biosfera, terrestre e acquatica, a causa degli scambi metabolici nell’ambito dei cicli vitali (sintesi clorofilliana, respirazione, cicli alimentari), presenta ed ha presentato nel passato, finché vivente, una concentrazione atomica 14 C/(C totale ) in equilibrio con quella atmosferica (uguale quindi a ). Dall’istante della morte di un organismo, la materia di cui è composto non “scambia” più con la biosfera, e non esistono altri meccanismi di formazione, o assunzione, o cessione di 14 C: dal punto di vista del bilancio di 14 C, il sistema diviene “chiuso”.

18 Principio della datazione col 14 C (2) Perciò, dall’istante della morte, la concentrazione di 14 C nei tessuti organici inizia a diminuire: il numero di atomi di 14 C si riduce a causa dei decadimenti radioattivi, il numero totale di atomi di carbonio resta invariato (a meno della frazione infinitesima di isotopi 14, tutti gli atomi di carbonio sono non radioattivi [ 12 C  98.9%, 13 C  1.1%]). La concentrazione di 14 C rispetto al carbonio totale, dopo la morte dell’organismo (t=0) segue quindi l’andamento temporale (1) [ 14 C] t = [ 14 C] 0 e - t/  (1) [ 14 C] t = [ 14 C] 0 e - t/  con  vita media del 14 C, e [ 14 C] 0 = 1.18· un reperto di origine organicaLa (1) consente quindi di determinare l’età di un reperto di origine organica, cioè il tempo t trascorso dalla morte dell’organismo da cui proviene, effettuando la misurazione di [ 14 C] t, concentrazione attuale di 14 C. Quello che si ottiene dalla relazione (1), risolta rispetto a t, è la cosiddetta “età convenzionale di radiocarbonio” (radiocarbon age)

19 Principio della datazione col 14 C (3) (2)t rC =  ln([ 14 C] 0 / [ 14 C] t ) t rC si esprime in “years BP” (before present); per motivi storici, si assume convenzionalmente – per la determinazione della radiocarbon age -  = 8033 y; inoltre, sempre convenzionalmente, si intende per “present” l’anno 1950, perciò si effettua una piccola correzione al t ricavato dalla (2) (che ovviamente rappresenta, nei limiti delle assunzioni fatte, il tempo trascorso al momento della misura) per dare il risultato finale in “anni prima del 1950”. L’“età” espressa dalla (2) non coincide con la migliore stima del tempo ad oggi passato dalla morte dell’organismo cui apparteneva il reperto datato: non soltanto perché la  convenzionale non è corretta, ma perché non lo sono le assunzioni schematiche fatte sopra. Perciò occorre applicare delle correzioni per passare dalla radiocarbon age alla migliore stima effettiva della datazione. Si preferisce tuttavia dare l’età di radiocarbonio convenzionale e trattare poi separatamente le correzioni per arrivare alla determinazione finale della data effettiva. Tradizionalmente, la data finale dopo le correzioni viene espressa come vera e propria data (es.: 4000 b.C. [before Christ], o: 800 AD [anno Domini]) e non come anni trascorsi dall’oggi.

20 Limiti delle assunzioni schematiche fatte - 1 Concentrazione costante rispetto al luogo: Il rate di produzione indotta dai raggi cosmici varia con la latitudine (effetto del campo magnetico terrestre) di un fattore circa 5 fra poli ed equatore (maggiore ai poli) Però queste variazioni vengono rapidamente compensate dai flussi atmosferici che rimescolano completamente l’aria intorno alla Terra in tempi brevi, dell’ordine di qualche anno al massimo, rispetto al tempo di decadimento del 14 C. Quindi: da questo punto di vista l’assunzione di costanza della concentrazione iniziale di 14 C rispetto al luogo di origine del reperto è completamente corretta da questo punto di vista l’assunzione di costanza della concentrazione iniziale di 14 C rispetto al luogo di origine del reperto è completamente corretta.

21 Limiti delle assunzioni schematiche fatte - 2 Variazioni di rate di formazione rispetto al tempo:Variazioni di rate di formazione rispetto al tempo: nell’ordine del 20-30%, correlate in particolare ai cicli di attività solare che a loro volta modulano il flusso di raggi cosmici che investono la Terra. Tuttavia: - periodi di questi cicli brevi (rispetto a  del 14 C) - effetto “serbatoio” dovuto alla concentrazione preesistente  modulazione temporale nella concentrazione in atmosfera prodotta da queste cause violentemente attenuata Variazioni del campo magnetico terrestreVariazioni del campo magnetico terrestre - periodo di circa 8 ka, quindi molto meno attenuato dall’effetto serbatoio

22 Limiti delle assunzioni schematiche fatte - 3 Non è possibile inoltre escludere che nel passato più lontano fenomeni naturali o antropici abbiano indotto variazioni del [ 14 C] in atmosfera: anzi, per gli ultimi 150 anni lo sappiamo positivamente: “effetto Suess” dall’epoca della rivoluzione industriale  rilascio in atmosfera di quantità massicce di CO 2 da combustione di carbone fossile  ovviamente non contiene 14 C  abbassamento considerevole e permanente della concentrazione di 14 C in atmosfera  anche in tutti gli organismi in equilibrio a tempi brevi con l’atmosfera; test nucleari in atmosfera test nucleari in atmosfera (prima del trattato di non proliferazione del 1963)  enorme aumento dei flussi di neutroni in atmosfera, e quindi anche del rate di produzione di 14 C  influenza sensibile, nonostante l’effetto serbatoio, anche sulla concentrazione globale [ 14 C] (localmente, in certe zone del globo, fino al +100 %). Successivamente al 1963, il tasso di 14 C in atmosfera è nuovamente diminuito per riavvicinarsi ai valori pre-esplosioni nucleari.

23 Limiti delle assunzioni schematiche fatte - 4 Effetti di questi tipi (es. grandi eruzioni vulcaniche, che possono liberare ingenti quantità di carbonio fossile) possono aver avuto luogo nel passato ed avere alterato, temporaneamente, la concentrazione [ 14 C] di equilibrio. Ne consegue che l’ipotesi di costanza nel passato della concentrazione [ 14 C] nei viventi, a un valore uguale a quello “convenzionale” attuale, di 1.18·10 -12, non è corretta. Occorre perciò poter conoscere indipendentemente il valore [ 14 C] 0 nel passato, con l’accuratezza e il dettaglio temporale migliori possibile Ad esempio, se i nostri posteri vorranno datare i resti di organismi morti intorno al 1960 e non saranno a conoscenza degli effetti delle esplosioni nucleari, tali resti appariranno molto più “giovani” di quanto non saranno effettivamente, perché arricchiti all’origine in 14 C. O viceversa, se si datano oggi reperti risalenti alla seconda metà del 1800 o ai primi decenni del 1900 senza tenere conto dell’effetto Suess su [ 14 C] 0, essi appaiono più vecchi dei cento-centocinquanta anni che hanno effettivamente, perché impoveriti all’origine di 14 C.

24 Ricalibrazione dalla radiocarbon age all’età vera DendrocronologiaDendrocronologia dalla misurazione della radiocarbon age degli anelli di accrescimento di tronchi di alberi datati in dendrocronologia si può avere una curva di calibrazione accurata fino a circa 10 4 anni fa Misure su reperti datati storicamente, o comunque in modo indipendenteMisure su reperti datati storicamente, o comunque in modo indipendente Per le correzioni di date oltre i 10 4 anni, estrapolazioni di fenomeni di ciclicità osservata in periodi più recenti  maggiore incertezzaPer le correzioni di date oltre i 10 4 anni, estrapolazioni di fenomeni di ciclicità osservata in periodi più recenti  maggiore incertezza

25 Ricalibrazione dalla radiocarbon age all’età vera

26 Ricalibrazione dalla radiocarbon age all’età vera

27 Ricalibrazione dalla radiocarbon age all’età vera

L’uomo dei ghiacci

29 Datazione dell’uomo dei ghiacci

30 Misura della concentrazione di 14 C poiché |dN/dt| = N, per determinare il numero di atomi di 14 C presenti in un reperto (e quindi la sua concentrazione dalla quale risalire alla datazione) si può in linea di principio misurare l’attività |dN/dt| del reperto anziché direttamente Npoiché |dN/dt| = N, per determinare il numero di atomi di 14 C presenti in un reperto (e quindi la sua concentrazione dalla quale risalire alla datazione) si può in linea di principio misurare l’attività |dN/dt| del reperto anziché direttamente N in effetti la misura diretta di N, a causa della bassissima concentrazione, è impossibile in spettrometria di massa convenzionale, soprattutto per l’interferenza isobarica di 14 N e delle molecole 12 CH 2 e 13 CH (isobari molecolari)in effetti la misura diretta di N, a causa della bassissima concentrazione, è impossibile in spettrometria di massa convenzionale, soprattutto per l’interferenza isobarica di 14 N e delle molecole 12 CH 2 e 13 CH (isobari molecolari) anche la misura dell’attività è delicata, perché si tratta di misurare un decadimento  puro e di bassa energiaanche la misura dell’attività è delicata, perché si tratta di misurare un decadimento  puro e di bassa energia tuttavia fino ad alcuni anni fa la misura dell’attività era l’unica strada percorribiletuttavia fino ad alcuni anni fa la misura dell’attività era l’unica strada percorribile

31 Misura della concentrazione di 14 C da misure di attività  T ½ = 5730 ± 40 anni   = 8277 ± 58 anni = 1/  = (3.836 ± 0.027)· s -1 = (2.302 ± 0.016)· min -1 = (1.38 ± 0.01)·10 -8 h -1 = (3.314 ± 0.023)·10 -7 d -1 = 1/  = (3.836 ± 0.027)· s -1 = (2.302 ± 0.016)· min -1 = (1.38 ± 0.01)·10 -8 h -1 = (3.314 ± 0.023)·10 -7 d -1 1 mg di reperto organico “contemporaneo”:  0.4 mg di carbonio  isotopi di 14 C conteggio  : |dN/dt| = N  soltanto 0.33 decadimenti/ora!  occorrono quantità cospicue di materiale e tecniche di conteggio molto delicate ed efficienti

32 Accelerator Mass Spectrometry (AMS) per la misura del 14 C recentemente, l’uso di acceleratori Tandem come spettrometri di massa ha consentito di raggiungere livelli di sensibilità straordinari ( ) grazie all’eliminazione delle interferenze isobaricherecentemente, l’uso di acceleratori Tandem come spettrometri di massa ha consentito di raggiungere livelli di sensibilità straordinari ( ) grazie all’eliminazione delle interferenze isobariche la sorgente (esterna) di ioni negativi elimina l’interferenza isobarica del 14 Nla sorgente (esterna) di ioni negativi elimina l’interferenza isobarica del 14 N lo stripping al terminale elimina gli isobari molecolari 12 CH 2, 13 CHlo stripping al terminale elimina gli isobari molecolari 12 CH 2, 13 CH l’elevata energia nell’analisi finale consente discriminazioni in Z degli isobaril’elevata energia nell’analisi finale consente discriminazioni in Z degli isobari

33 Schema di un Tandem per AMS

34

35 1 mg di reperto organico “contemporaneo”:  0.4 mg di carbonio  isotopi di 14 C AMS (efficienza  1%): > 10 5 conteggi (tempo di misura: minuti)  (  14 C)/ 14 C 10 5 conteggi (tempo di misura: minuti)  (  14 C)/ 14 C < 0.3%   t  25a (da confrontarsi con 0.33 decad./ora del conteggio   sono sufficienti quantità esigue di materiale, anche di reperti molto antichi (fino a 50 ka)  sono sufficienti quantità esigue di materiale, anche di reperti molto antichi (fino a 50 ka) Misura AMS della concentrazione di 14 C

36 Effetti di contaminazione di un campione con Carbonio fossile

37 Effetti di contaminazione di un campione con Carbonio “recente”

38 Effetti di contaminazione di un campione con Carbonio recente

39 Pergamena di Arborea Sono pergamene e codici cartacei presumibilmente databili Tra il VII ed il V secolo Sono apparsi a più riprese dal 1845 in poi offerti in vendita da fra’ Cosimo Manca che li diceva provenienti dagli archi vi dei giudici di Arborea in Oristano Offrivano una grande quantità di notizie sulla storia Sarda In un periodo in cui mancavano informazioni negli archivi. Ad esempio se ne ricavava che la cultura della poesia italiana sarebbe stata in Sardegna anteriore ai capolavori Noti in volgare italiano

40 Pergamena di Arborea 1870 una commissione di studiosi le dichiara false per ragioni “estrinseche” : scrittura, inchiostri, materie scrittorie non corrispondenti ad altri codici. “intrinseche” : caratteri filologici e storici. Talune notizie storiche che essi offrono sono in contrasto per le date con quelle desunte da documenti indubbiamente attendibili Si è molto discusso sui motivi della falsificazione ed un motivo potrebbe essere stato, secondo gli studiosi, quello di dotare l’isola di uno splendido Patrimonio documentario che facesse “ rifulgere il passato della Sardegna” Si capisce dunque che una datazione assoluta col Carbonio gioca un ruolo fondamentale

41 Pergamena di arborea Quantità di materiale trattato : 68 mg Quantità dopo il trattamento di pirolisi : 12 mg Grafite raccolta : 3.3 mg Si vede in maniera esplicita come questo tipo di analisi sia Non distruttiva

42 Pergamena di Arborea Età B.P. Età calandariale 1296 – 1518 A.D.

43 Madonna di Montevergine età Le prime notizie storiche danno per certa la presenza dell’icona nel santuario benedettino di Montevergine (AV) nel Per l’icona non esistono al momento datazioni assolute ottenute con metodi analitici.

44 Madonna di Montevergine Fin dal Seicento il clipeo della grande tavola veniva identificato con l’immagine bizantina della “Madonna Odigitria”, dipinta, secondo la leggenda, direttamente dalla mano di San Luca a Gerusalemme, esposta poi ad Antiochia e infine trasportata a Costantinopoli. Gli elementi legati a questa tradizione vennero elaborati e messi insieme per la prima volta dal padre Marco De Masellis nel volume Iconografia della madre di Dio Maria Vergine, dato alle stampe nel Vincenzo Verace, rifacendosi alla tradizione orale e po­ polare, nel manoscritto Chronica Montis Virginis, datato al 1576, accenna alla Imago in tabulis depicta di cui egli non conosce l'autore né il tempo in cui fu portata a Montevergine e tuttavia aggiunge che molti ritengono sia stata dipinta da San Luca, quod affirmare nequeo.

45 Madonna di Montevergine Nel manoscritto Supplemento alla historia di Monte Vergine, datato al 1619, Ovidio de Luciis riporta la tradizione secondo cui il clipeo della Madonna sarebbe stato segato dall'Odigitria venerata a Costantinopoli e portata a Montevergine da Baldovino II e dalla nipote Caterina I di Couternay nel 1261, mentre il resto del dipinto sarebbe stato eseguito un cinquantennio più tardi da Montano D'Arezzo dietro ordine di Filippo d'Angiò e della moglie Caterina Couternay-Valois. Su questa stessa posizione si attesta nel 1646 Girolamo Conte con la Relazione della sacra lma­gine della Madonna di Montevergine, ma ne rettifica la data della traslazione. Secondo lui, Baldovino II e Caterina I avevano sempre sperato di riconquistare il trono imperiale d'Oriente e di riportare la sacra icona a Costantinopoli; mentre Caterina II, dopo aver sposato Filippo d'Angiò e perduta ogni speranza di successione al trono orientale, avrebbe deciso di far completare il quadro da Montano d'Arezzo per poi trasportarlo al santuario di Montevergine nel 1310.

46 Madonna di Montevergine Le prime datazioni al radiocarbonio effettuate nell’ambito del presente lavoro utilizzando la spettrometria di massa ultrasensibile (AMS) hanno fornito per il frammento di legno un’età compresa nel seguente intervallo (corrispondente ad un errore standard di circa 100 anni dell’età radiocarbonica): 1158 – 1304 A.D

47 Scacchi di Venafro Il ritrovamento di queste figure, chiaramente di un gioco del tipo degli scacchi, in una tomba di epoca romana poneva grandi Problemi agli studiosi della teoria dei giochi. Il gioco degli scacchi si considera unanimemente introdotto in Europa durante le invasioni degli Arabi Col permesso della Sovraintendenza Archeoloigica fu prelevato un campione di osso, da una figura già danneggiata, di pochissimi mg.

48 Scacchi di Venafro età 1090+/-70 y B.P. età calanderiale A.D.