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.
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, ....)
NUCLEAR METHODS
APPLIED TO CULTURAL
HERITAGE
International Conference
Roma-Venezia, May 24 –29 1973
2÷3 mm
g
ABSORPTION
NAA
5÷10 μ
SEM
XRF
PIXE
IBA

PIGE


NRA

RBS

PAA
100÷150 μ
R/C (BINARY ALLOYS)
300÷400 μ
PAA
Rappresentazione delle transizioni elettroniche XRF
PIXE
XRF
PIXE: ceramics analysis
PIXE: external proton beam
XRF SET UP
Alcune applicazioni della
tecnica PIXE nel campo dei
Beni Culturali
Materiale didattico ricevuto dal Prof. Mandò
dell’Università degli Studi di Firenze
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
1000
Si
Lapislazzuli
Conteggi
800
600
Al
400
S
200
Ca
Na
K
0
spettro di
energie
segnali
radiazione caratteristica
fascio di particelle
campione
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)
1000
Si
Lapislazzuli
Conteggi
800
600
Al
400
S
200
Ca
Na
K
0
4000
Cu
3000
2000
1000
Cu
Si
Cu
Ca
Energia (eV)
10000
9000
8000
7000
6000
5000
4000
3000
2000
1000
0
0
Conteggi
Azzurrite
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
Curve
attivazioee
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
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
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
q = 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
q = 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.