Introduzione ai metodi spettroscopici per i Beni Culturali Scuola di specializzazione in Beni Culturali 2012 Prof. Marina Brustolon Introduzione ai metodi spettroscopici per i Beni Culturali

Riassunto Cos’è uno spettroscopio ? L’informazione di base per poter comprendere un esperimento spettroscopico: La radiazione = onda elettromagnetica e fotoni La materia = l’energia è quantizzata, il concetto di quanto L’interazione tra radiazione e materia Vari tipi di spettroscopie Le particolarità dell’applicazione ai Beni Culturali

Alcuni concetti importanti sulle radiazioni elettromagnetiche Se un raggio contiene una radiazione con una singola lunghezza d’onda, si dice che è monocromatico, se contiene radiazione con più lunghezze d’onda si dice policromatico. La luce bianca è policromatica, contiene radiazioni con diverse lunghezze d’onda. Un modo per separare le componenti monocromatiche della luce è usare la rifrazione. La rifrazione fa sì che un raggio che passa da un mezzo ad un altro cambi la sua direzione. Le direzioni prese da raggi di diversa lunghezza d’onda sono diverse.

q q’ Riflessione e rifrazione Riflessione: angolo di incidenza e angolo di riflessione sono eguali q Rifrazione: q’ indici di rifrazione, che dipendono dalla lunghezza d’onda

La dispersione La luce bianca come quella emessa dal sole sappiamo che è l’insieme di radiazioni monocromatiche a diversa lunghezza d’onda. Se la facciamo passare attraverso un prisma, dal momento che la rifrazione dipende dalla lunghezza d’onda possiamo separarne le componenti di diversa lunghezza d’onda:  d, angolo di deviazione, dipende dalla l Dispersione

L’occhio ci dice se una componente della luce bianca è stata assorbita Nella percezione del colore il nostro occhio funziona come uno spettroscopio. Il colore di un oggetto illuminato da luce bianca ci dice quali componenti monocromatiche sono state assorbite.

Due modi di vedere il colore di una sostanza Una parte della luce bianca viene assorbita, il raggio che colpisce la retina appare colorato Luce trasmessa Luce riflessa Una parte della luce bianca viene assorbita dalla superficie, la parte riflessa appare colorata In entrambi i casi la luce bianca (policromatica) ha perso delle componenti che sono state assorbite dalla materia, e le componenti residue ci appaiono come colorate.

Lo “spettroscopio umano” Il nostro spettroscopio incorporato è l’occhio. Il “colore” di un raggio di luce o di un oggetto ci dice di quali radiazioni potrebbe essere composto il raggio di luce che colpisce la nostra retina. Ma il colore non basta, l’informazione che dà il colore è ambigua (radiazioni policromatiche diverse possono dare la stessa sensazione di colore). Se vogliamo avere un’informazione sicura delle radiazioni contenute del nostro raggio di luce, bisogna usare uno spettroscopio (non umano!). Così pure se vogliamo sapere quali radiazioni non visibili (infrarosse, ultraviolette) sono state assorbite, l’occhio non ce lo sa dire perché non le vede.

Cosa bisogna sapere per lo studio delle spettroscopie? Cos’è la radiazione elettromagnetica Quali sono i parametri per distinguere le diverse radiazioni Quali sono le proprietà della materia importanti per l’interazione con la radiazione Quali sono le leggi che regolano l’interazione tra materia e radiazione.

Qualche altra nozione sulle onde elettromagnetiche Parametri per caratterizzare un’onda elettromagnetica, oltre alla lunghezza d’onda: La frequenza : numero di creste dell’onda per secondo. Si esprime in Hertz (Hz), o multipli. MHz = megahertz = 1 milione di Hz kHz = kilohertz = 1000 Hz  Il numero d’onda: inverso della lunghezza d’onda. Si esprime in cm-1.

Un parametro per caratterizzare le zone spettrali è la frequenza Un altro parametro per caratterizzare le zone spettrali è la lunghezza d’onda. La selezione naturale ci ha dotato di uno spettroscopio incorporato, che è l’occhio, sensibile a una zona molto ristretta dello spettro, quella della radiazione visibile.

Parametri per caratterizzare un’onda elettromagnetica La lunghezza d’onda : distanza tra due creste dell’onda, espressa in metri, o sottomultipli del metro: nm = nanometro = 10-9 m m = micrometro = 10-6 m  La frequenza : numero di creste dell’onda per secondo. Si esprime in Hertz (Hz), o multipli. MHz = megahertz = 106 Hz kHz = kilohertz = 103 Hz  Il numero d’onda: inverso della lunghezza d’onda. Si esprime in cm-1.

Onde elettromagnetiche e fotoni Abbiamo descritto la luce come un’onda elettromagnetica. Questo modello va bene per spiegare alcuni comportamenti della luce (per esempio la diffrazione). La luce (e quindi qualunque radiazione elettromagnetica) trasporta energia e la trasmette alla materia. Per descrivere questa trasmissione dobbiamo introdurre un concetto nuovo, apparentemente in contrasto con la descrizione dell’onda = il concetto di fotone

I fotoni I fotoni sono pacchetti di energia indivisibili. Lo scambio di energia tra materia e radiazione elettromagnetica può avvenire solo per numeri interi di quanti di energia h. Nota: h è detta “costante di Planck”

Con che modello rappresentare la luce? Fino al ‘900 il comportamento della luce era spiegato con l’ottica classica. Esperimenti dell’inizio del ‘900 hanno mostrato che l’ottica classica non spiega come la luce trasmette energia alla materia. Bisogna introdurre una nuova teoria, l’ottica quantistica. Secondo questa teoria la luce è fatta di particelle di energia che si chiamano FOTONI

Spettroscopie Le spettroscopie permettono di studiare scientificamente l’interazione delle radiazioni elettromagnetiche con la materia. La radiazione più studiata per i Beni Culturali è la radiazione nel visibile (la luce). Ma importanti informazioni si possono ottenere anche studiando l’interazione con la materia dei raggi infrarossi e dei raggi ultravioletti.

Radiazione e materia Per capire come funzionano le spettroscopie dobbiamo aver un modello per il comportamento della radiazione elettromagnetica, e uno per le proprietà dei materiali. Le proprietà della materia si spiegano basandosi su pochi e semplici risultati della fisica quantistica, tra i quali il fondamentale è: Gli stati stabili degli atomi e delle molecole hanno energie definite e determinate, dovute sia al moto degli elettroni che al moto dei nuclei.

Con che modello rappresentare la materia? Fino al ‘900 il comportamento della materia era spiegato con la meccanica classica. Esperimenti dell’inizio del ‘900 hanno indotto a formulare una nuova teoria, la meccanica quantistica.

Onde e particelle Il risultato sorprendente delle teorie quantistiche è che: la luce si comporta anche come se fosse composta da “particelle”, i fotoni le particelle elementari della materia (elettroni, protoni, ecc.) si comportano anche da “onde”

I moti dei corpi di dimensioni ordinarie La caratteristica del moto dei corpi di dimensioni ordinarie è che possono avere qualsiasi velocità, e quindi qualsiasi energia. Energia 1 Energia 2 Energia 3 Ma potrebbero esserci energie intermedie

Qualunque energia è permessa! Energia della pallina rotante Energia 3 Energia 2 Energia 1

I moti delle particelle come elettroni e nuclei La caratteristica del moto dei corpi di dimensioni molto piccole è che non possono avere qualsiasi velocità, e quindi qualsiasi energia, ma solo energie quantizzate, che dipendono dal tipo di moto. Per esempio, una molecola che ruota in un gas può avere solo livelli energetici come in figura. Energia

Schema generale di un evento spettroscopico Un sistema si trova in uno stato ad energia E1. Può passare ad un altro stato ad energia E2 assorbendo un fotone con una frequenza  e quindi un’energia h eguale alla differenza di energia tra i due stati: E = h E2 h E1

I moti delle particelle e le energie h E1 Questo è uno schema generale, la distanza in energia tra i due stati è molto diversa a seconda del moto che stiamo considerando. Prima di tutto dobbiamo distinguere tra il moto dei nuclei e quello degli elettroni. Gli elettroni sono molto più veloci dei nuclei, e la loro energia è molto maggiore. Quindi anche la distanza in energia tra due livelli sarà molto più grande. I fotoni che fanno avvenire transizioni tra i livelli di energia degli elettroni hanno frequenze cha vanno dalla zona del visibile all’ultravioletto. E = h

Zona interessata agli assorbimenti elettronici

Moti dei nuclei I moti dei nuclei coinvolgono energie minori di quelle del moto degli elettroni: Moti di vibrazione Moti di rotazione

Zona interessata agli assorbimenti vibrazionali

Zona interessata agli assorbimenti rotazionali

I metodi spettroscopici sono metodi di indagine chimico-fisica usati in molte applicazioni. Le spettroscopie possono venir usate a scopo analitico: quali sostanze pure compongono un materiale? L’uso analitico interessa tutti i campi: chimica, fisica, scienza dei materiali, studi ambientali, astrofisica, e beni culturali. Le informazioni fornite dai metodi spettroscopici sono però molte altre, di interesse specifico per ogni campo di studio.

Informazioni che le spettroscopie possono fornire per i beni culturali: I beni culturali sono composti di materiali: quindi scienza dei materiali e studio scientifico dei beni culturali sono campi di attività che hanno in comune molti metodi. Quello che distingue l’applicazione ai beni culturali è lo scopo dell’indagine. Beni culturali: cosa si vuol capire? Composizione dei materiali b. Stato di conservazione c. Provenienza geografica dei materiali d. Tecniche di produzione e. Datazione

Condizioni poste ai metodi di indagine spettroscopica nel campo dei beni culturali: Quantità molto piccola (o nulla) di materiale usato (tecniche microdistruttive o non distruttive) b. Indagini microscopiche c. Indagini di superficie d. Portabilità e. Metodi statistici per l’uso di database.