Fisica e Beni Culturali Lo scopo delle analisi scientifiche, in generale, nel campo dei Beni Culturali non è diretto solo alla tutela, alla conservazione,

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1 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 dellanalisi storico-stilistica e che possono prescindere del tutto da scopi di conservazione e di restauro.

2 Cosè lArcheometria? E larea 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.

3 Analisi di materiali - COME? analisi chimica analisi 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 cariche) fluorescenza X (XRF) è Ion Beam Analysis (PIXE, PIGE, NRA, RBS,....)

4 NUCLEAR METHODS APPLIED TO CULTURAL HERITAGE International Conference Roma-Venezia, May 24 –29 1973

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7 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

8 Rappresentazione delle transizioni elettroniche XRF

9 XRF PIXE

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15 PIXE: ceramics analysis

16 PIXE: external proton beam

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18 XRF SET UP

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

22 Tecniche di Ion Beam Analysis insieme di metodologie della fisica nucleare, basate sulluso di piccoli acceleratori di particelleinsieme di metodologie della fisica nucleare, basate sulluso di piccoli acceleratori di particelle estremamente efficaci per determinare la composizione di un qualsiasi campioneestremamente efficaci per determinare la composizione di un qualsiasi campione

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

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

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

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30 Analisi di composizione di qualunque materiale possa interessare

31 Analisi di miniature

32 Analisi di inchiostri in manoscritti di interesse storico

33 Miniatura inizio XII secolo

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35 Miniatura fine XII secolo

36 Miniatura da una Bibbia del XIII secolo

37 Frontespizio Pl.16,22 (XV secolo)

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

39 Esempi di spettri PIXE (pigmenti di miniature)

40 Note di spesa nel Ms.Gal.26

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

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

43 Inchiostri antichi inchiostri di nerofumo (non analizzabili con PIXE)inchiostri di nerofumo (non analizzabili con PIXE) inchiostri metallo-galliciinchiostri 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)

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

45 Esempi di spettri X di inchiostri differenti

46 Principi dellanalisi 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, lenergia della particella retrodiffusa è tanto più piccola quanto maggiore è la massa del nucleo urtato

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48 Curve attivazioee

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51 Esempio di spettro RBS (simulazione) protoni 3 MeV su un target infinitamente sottile con elementi vari = 170°, risoluzione rivelatore (irrealistica) 1 keV FWHM Si noti (C, Si, S, Ca, Fe, Cu) la rivelazione dei diversi isotopi dello stesso elemento

52 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 lurto, la particella retrodiffusa perde energia prima di uscire allindietro verso il rivelatore lenergia 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

53 Simulazione di spettro RBS ottenuto con alfa 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 delloro si determina lo spessore della doratura (in quanto il dE/dx è noto)

54 Simulazione di spettro RBS ottenuto con alfa da 3 MeV su un campione spesso Carta spessa con strato di FeSO 4 in superficie, di 2 m di spessore = 170°, risoluzione 15 keV FWHM Si noti il contributo dellossigeno allo spettro, che deriva sia dallossigeno nel solfato (in superficie) che da quello nella cellulosa della carta.

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