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

PIXE XRF

Università degli Studi di Milano - Istituto di Fisica Generale Applicata

PIXE: ceramics analysis   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

g ABSORPTION 2÷3 mm NAA 5÷10 μ SEM XRF PIXE PIGE NRA 100÷150 μ RBS IBA 5÷10 μ SEM XRF PIXE PIGE NRA RBS PAA 100÷150 μ R/C (BINARY ALLOYS) 300÷400 μ PAA

Alcune applicazioni della tecnica PIXE nel campo dei Beni Culturali Materiale didattico ricevuto dal Prof. Mandò dell’Università degli Studi di Firenze

Analisi di materiali - COME? analisi chimica spettrometrie nel visibile, I.R., U.V. tecniche “nucleari”: tecniche di attivazione (con neutroni o particelle cariche) fluorescenza X (XRF) Ion Beam Analysis (PIXE, PIGE, NRA, RBS, ....)

Tecniche di Ion Beam Analysis insieme di metodologie della fisica nucleare, basate sull’uso di piccoli acceleratori di particelle estremamente efficaci per determinare la composizione di un qualsiasi campione

Ion Beam Analysis (IBA) rivelatore radiazione caratteristica spettro di energie segnali campione fascio di particelle

Ion Beam Analysis quantitativa, multi-elementale molto sensibile  veloce, basse correnti di fascio  non distruttiva analisi di superficie (15-20 mm tipicamente) micro-analisi fasci esterni

Principio dell’analisi PIXE le energie degli elettroni nei diversi livelli atomici sono caratteristiche di ciascuna specie atomica dunque, anche le differenze tra di esse, cioè le energie dei raggi X, sono caratteristiche della specie atomica da cui sono emessi la rivelazione e classificazione delle energie X permette di identificare e quantificare i differenti elementi presenti nel campione-bersaglio del fascio

Analisi di composizione di qualunque materiale possa interessare

Analisi di miniature

Analisi di inchiostri in manoscritti di interesse storico

Miniatura inizio XII secolo

Miniatura inizio XII secolo

Miniatura fine XII secolo

Miniatura da una Bibbia del XIII secolo

Frontespizio Pl.16,22 (XV secolo)

Misure con PIXE-esterno sui manoscritti - tempere blu uso esteso del lapislazzulo fin dal secolo XII probabilmente il carattere “sacro” del contenuto dei testi implicava l’uso di un materiale prezioso, indipendentemente dal valore artistico della decorazione il carattere quantitativo delle misure consente una differenziazione fra i differenti tipi di lapislazzulo

Esempi di spettri PIXE (pigmenti di miniature)

Note di spesa nel Ms.Gal.26

Il riordino cronologico delle note manoscritte sul moto è della massima importanza per la Storia della Scienza per ricostruire l’evoluzione del pensiero di Galileo per correlarlo agli eventi della sua vita e allo sviluppo parallelo del pensiero scientifico nel mondo della cultura europea del suo tempo

Misura della composizione degli inchiostri - Obbiettivi confronto della composizione con ricette antiche scarsa documentazione storica terminologia ambigua e qualitativa indagine sugli effetti del restauro delle carte discriminazione fra inchiostri diversi per attribuzioni o datazioni indirette

Inchiostri antichi inchiostri di nerofumo (non analizzabili con PIXE) inchiostri metallo-gallici miscele di vetrioli (solfati di ferro e altri metalli, che spesso ne contengono diversi in quantità rivelabili) con tannini (essenze vegetali estratte dalle noci di galla)

Caratterizzazione PIXE degli inchiostri metallo-gallici i parametri caratterizzanti più utili sono i rapporti fra le quantità dei diversi metalli le quantità relative di Fe, Ni, Cu, Zn, Pb possono variare di molto fra inchiostro e inchiostro

Esempi di spettri X di inchiostri differenti

Principi dell’analisi RBS (Rutherford Back Scattering) In una collisione elastica di una particella del fascio con un nucleo del bersaglio la particella viene deflessa Per collisioni all’ indietro con nuclei di una data massa M, l’energia della particella retrodiffusa è tanto più piccola quanto maggiore è la massa del nucleo urtato

Analisi RBS

Prima di subire una collisione con un nucleo, le particelle del fascio penetrano nel bersaglio perdendo progressivamente energia a causa delle interazioni con gli elettroni. Anche dopo l’urto, la particella retrodiffusa perde energia prima di “uscire” all’indietro verso il rivelatore l’energia misurata di una particella diffusa dipende dunque anche dalla profondità alla quale è avvenuta la collisione IN CONCLUSIONE lo spettro di energia delle particelle diffuse fornisce informazioni sulla composizione del bersaglio e sulla distribuzione degli elementi in funzione della profondità

Esempio di spettro RBS (simulazione) protoni 3 MeV su un target infinitamente sottile con elementi vari q = 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 alfa da 3 MeV su un campione spesso Bulk di Cu ricoperto con doratura di 1 mm 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 alfa da 3 MeV su un campione spesso Carta spessa con strato di FeSO4 in superficie, di 2 mm 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.