Perugia, 27 maggio 2005
L’uso degli
acceleratori di particelle
per analisi di opere d’arte
e datazione di reperti archeologici
Pier Andrea Mandò
Dipartimento di Fisica e Sezione
INFN - Firenze
La nuova
“Scienza per i Beni Culturali”
• Chimica, fisica, scienze della terra, biologia, con le
rispettive tecnologie, sono diventate estrememente
importanti per lo studio e la salvaguardia del nostro
patrimonio storico e artistico
• Un fatto ormai ampiamente riconosciuto anche
dalla stessa comunità umanistica
• E reciprocamente, le istituzioni scientifiche hanno
preso consapevolezza dell’importanza di questa
integrazione di culture
Ruolo della Scienza
per i Beni Culturali
Schematizzando, sono due i campi
in cui le discipline scientifiche
hanno una funzione cruciale:
1) conoscenza delle opere e del loro
“stato di salute”
2) conservazione e restauro
Ruolo della Fisica
per i Beni Culturali
La Fisica riveste oggi un ruolo
dominante nel primo campo, quello della
diagnostica
principalmente grazie al carattere non
invasivo della grande maggioranza delle
tecniche fisiche
E qual è lo specifico contributo della
Fisica Nucleare alla nuova
“Scienza per i Beni Culturali”?
•datazioni di reperti
14C
(radiocarbonio)
• analisi di materiali
tecniche IBA
andamento concentrazione 14C
Principio delle datazioni col
14C
1,4
1,2 10-12
14
14
-t/
[ C]t = [ C]0 e
1
14
-12
(with
(con [ C]0 = 1.18 10 )
(con
0,8
e  = 8266 y)
0,6
0,4
0,2
3200 anni
8950 anni
0
0
10000
tempo20000
dalla morte
30000
tempo dalla morte
40000
anni
50000
Misura della concentrazione residua di 14C con
un acceleratore
(AMS  Accelerator Mass Spectrometry)
Acceleratore Tandem
Analisi in massa e
sistemi di
rivelazione
Sorgente, dove si
mettono i campioni
da analizzare
Misura del
14C
con AMS
Sensibilità selettiva straordinaria (10-15)
 sono databili reperti risalenti fino a oltre
50000 anni fa
 massa del campione da “sacrificare” per la
datazione  1 mg
Laboratorio preparazione
campioni per misure AMS
Laboratorio preparazione
campioni per misure AMS
Campagne di datazione
Archeometallurgia dell’Etruria settentrionale
(Sovrintendenza archeologica della Toscana, Dip. di
Archeologia Univ. di Siena, Dip. di Scienze della Terra
Univ. Firenze)
Scavi Grandi Uffizi
(Ministero Beni Culturali, Dip. di Archeologia Univ. di Siena)
Tavole lignee di presunta epoca rinascimentale
(Opificio delle Pietre Dure)
Atmospheric data from Stuiver et al. (1998); OxCal v3.8 Bronk Ramsey (2002); cub r:4 sd:12 prob usp[chron]
900BP
14Fi0036 : 630±30BP
68.2% probability
1300AD (28.8%) 1325AD
1345AD (39.4%) 1395AD
95.4% probability
1290AD (95.4%) 1400AD
Radiocarbon determination
800BP
700BP
600BP
500BP
400BP
1200CalAD
1300CalAD
1400CalAD
Datazione di
campioni prelevati
dalle due tavole
1500CalAD
Calibrated date
Atmospheric data from Stuiver et al. (1998); OxCal v3.8 Bronk Ramsey (2002); cub r:4 sd:12 prob usp[chron]
Atmospheric data from Stuiver et al. (1998); OxCal v3.8 Bronk Ramsey (2002); cub r:4 sd:12 prob usp[chron]
14Fi0034 : 580±30BP
14Fi0037 : 530±30BP
68.2% probability
1315AD (43.6%) 1355AD
1385AD (24.6%) 1410AD
95.4% probability
1300AD (64.1%) 1370AD
1380AD (31.3%) 1420AD
700BP
600BP
800BP
700BP
600BP
500BP
500BP
400BP
400BP
68.2% probability
1330AD ( 4.4%) 1340AD
1400AD (63.8%) 1435AD
95.4% probability
1320AD (17.5%) 1350AD
1390AD (77.9%) 1450AD
Radiocarbon determination
800BP
300BP
1200CalAD
1300CalAD
1400CalAD
Calibrated date
1500CalAD
1200CalAD
1300CalAD
1400CalAD
Calibrated date
1500CalAD
1600CalAD
Analisi di composizione di materiali in
archeometria: a chi serve, e per sapere cosa
1) Storici dell’arte, archeologi, storici della scienza e delle
tecnologie,....
informazioni specifiche su singole opere
informazioni più generali su tecnologie di produzione, fonti di
approvvigionamento, canali di scambio commerciali nel passato,....
2) Conservatori e restauratori
conoscenza dello stato di degrado
conoscenza dei materiali originali per scegliere la tecnica e
i materiali dell’intervento conservativo
Ion Beam Analysis (IBA)
rivelatore
1000
Si
Lapislazzuli
Conteggi
800
600
Al
400
S
200
Ca
Na
K
0
spettro di
energie
segnali
fascio di particelle
radiazione di energia
caratteristica
materiale da
analizzare
Ion Beam Analysis
Ion Beam Analysis
raggi X
(PIXE)
a
particelle diffuse
elasticamente
(RBS)
raggi gamma
(PIGE)
PIXE
(Particle-Induced X ray Emission)
• Analisi molto veloce, sensibile, non distruttiva
• Analisi quantitativa
• Tutti gli elementi a partire dal Na (incluso)
rivelati simultaneamente
Un sistema di misura essenziale in campo
archeometrico:
il set-up di fascio esterno
1 cm
Analisi di manoscritti
antichi,
Analisi PIXE con fascio esterno del
frontespizio del Pl.16,22, dalla
Biblioteca Laurenziana di Firenze
...terrecotte invetriate,
Analisi del “Ritratto di fanciullo” di
Luca Della Robbia – prima del
restauro all’Opificio delle Pietre Dure
di Firenze
...analisi di disegni,
Misure micro-PIXE del
Ritratto di Lucas de Leyde
di Albrecht Dürer
A.Duval et al., (Laboratori del Louvre)
...gioielli,
Misure micro-PIXE di un ornamento
messicano in lega d’oro
G.Demortier and J.L.Ruvalcaba Sil (Namur)
...o di qualunque altra
cosa possa interessare
Analisi di documenti di
interesse storico
(INFN FI, Bibl.Naz. FI, MPI Berlin)
Misure PIXE per determinare
quantitativamente la
composizione di inchiostri
antichi
Contributo importante alla
ricostruzione cronologica degli
appunti di Galileo sul moto
Una lettera di Galileo durante
l’analisi PIXE con fascio esterno al
vecchio acceleratore di Firenze
Confronto della composizione
dell’inchiostro negli appunti
(non datati) con quella di
documenti datati (lettere, etc.)
Alcuni dei fogli del
Ms.Gal.72
(Bibl. Naz. Firenze)
Un database prezioso di inchiostri datati:
la “agendina” di Galileo (Ms.Gal.26)
Come si discriminano inchiostri
diversi con PIXE
1400
Fe
1200
Ms.Gal.72 f.128
Conteggi
1000
800
600
Pb
400
200
0
4000
2500
Pb
Fe
5000
6000
7000
8000
Fe
Conteggi
Pb
9000
10000
11000
12000
13000
14000
13000
14000
Ms.Gal.26 f.29v
2000
1500
1000
Fe
500
3000
0
4000
5000
6000
Zn
Cu
Mn
7000
Zn
8000
Fe
Pb
9000
Pb
10000
11000
12000
Ms.Gal.14 f.27r
2500
Conteggi
Zn
Cu
Mn
2000
1500
1000
Fe
500
0
4000
Mn
5000
6000
Cu
7000
8000
Zn
Zn
9000
Pb
10000
Energia (eV)
Pb
11000
12000
13000
14000
v(s), v(t), s(t)
Foglio 128
il “punto di partenza”
...che il grave cadente
naturalmente vada
continuamente
accrescendo la sua
velocità....
...secondo che accresce
la distanza dal termine
onde si partì....
“Datazione” del f.128
v(s), v(t), s(t)
Foglio 164v – il “risultato finale”
...sunt inter se ut radices distantiarum...
Foglio 164v
Penultima
proposizione
Ultime due righe
Analisi di pitture su
tavola o tela
Per capire i “segreti” delle
tecniche pittoriche di artisti
famosi e/o ricostruire la
storia di uno specifico
quadro (possibilità che sia
un falso, restauri precedenti,
etc.)
Analisi di un quadro di Lucas
Cranach il vecchio, effettuata al
Rossendorf Forschungszentrum,
Dresden, Germania
(C.Neelmeijer, et al.)
La struttura a
strati delle pitture
su tavola o tela
Due problemi:
1) discriminare le componenti
della vernice da quelle negli
strati pittorici e nel fondo di
preparazione
2) Rivelare gli elementi leggeri
negli strati pittorici sottostanti
la vernice (assorbimento degli X
di bassa energia)
Certe volte può esser facile...
S. Giovanni e S. Paolo,
pitture su tavola di
Andrea di Bartolo
(Siena, XIV sec.)
Precedenti restauri
incompiuti (inizio XX secolo)
avevano lasciato in
superficie parti scoperte dei
differenti strati di pittura, del
substrato di preparazione, o
perfino del legno
...ma non sempre è così facile!
Leonardo da Vinci
Madonna dei fusi
versione ex-Reford
(collezione privata)
Olio su tavola, 50 x 36
presumibilmente dipinto
nel 1501
PIXE differenziale per
distinguere i contributi
dei differenti strati
Spettri PIXE a energie differenti
Si
Counts
1200
No degrader
3 MeV
Al
900
S
600
Ca
Na
300
K
0
Counts
1200 0
1
2
3
E (keV)
75 m4m Upilex5
1.7 MeV
900
600
300
0
0
1
2
3
E (keV)
4
5
Strato pittorico
di azzurro
(lapislazzuli)
steso su
preparazione di
solfato di calcio
La struttura a
strati delle pitture
su tavola o tela
Due problemi:
1) discriminare le componenti
della vernice da quelle negli
strati pittorici e nel fondo di
preparazione
2) Rivelare gli elementi leggeri
negli strati pittorici sottostanti
la vernice (assorbimento degli X
di bassa energia)
oltre a PIXE,
uso simultaneo di
PIGE per rivelare
gli elementi leggeri
Arrivo in
laboratorio
mentre si sistema nel punto di
misura...
durante l’analisi
Element
Na, Cl, Ca
Fe
Al, Si, S
Mg, P, K
Ti, Cu, Ba
Zn
Concentration
~ 1‰
~ 0.5‰
0.5-1‰
0.2-0.5‰
~ 0.1‰
0.1-1‰
1.8
1.6
1.4
1.2
1.0
0.8
0.6
0.4
0.2
0.0
Mg
Na
~30 e ~ 50 micron
S
a)
Cl
P
Ca
K
Fe
1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000
Energy (eV)
0.6
0.5
Fe
b)
0.4
0.3
0.2
Ca
0.1
Lo spessore dello strato di vernice,
dedotto dal confronto dei diversi spettri
di PIXE differenziale, varia fra
Al
Si
Ar (from air)
0
Counts/nC
Questa vernice è risultata non
puramente organica. Modeste
concentrazioni di elementi inorganici
sono state dedotte dagli spettri PIXE
ottenuti alle energie di fascio più basse,
quando i protoni non raggiungono gli
strati di pittura e di preparazione.
Counts/nC
Composizione della vernice
0.0
2000 4000
Zn
Cu
6000 8000 10000 12000 14000 16000
Energy (eV)
Spettri tipici della vernice relativi a:
a) elementi a basso Z; b) elementi ad alto Z
30
Counts/nC
25
a
Pb
20
15
Fe
10
5
4000
b
2.0
6000
Pb
Hg
1.0
0.5
Counts/nC
c
4000
6000
8000 10000 12000 14000 16000
Energy (eV)
2 MeV
Pb
0.4
Hg
0.2
0.0
0.62000
Counts/nC
 uso del cinabro come
pigmento rosso
0.6
0.5
b
8000 10000 12000 14000 16000
Energy (eV)
2.3 MeV
Hg
0.8
Incarnato
d
1.5
0.0
1.02000
a
c
Hg
Ca
0
2.52000
Counts/nC
2.8 MeV
d
4000
6000
Pb  bianco di piombo, sia nello
strato pittorico che nel
substrato di preparazione.
8000 10000 12000 14000 16000
Energy (eV)
Fe
1.8 MeV
0.4
0.3
Ca
0.2
0.1
0.0
2000
4000
6000
8000 10000 12000 14000 16000
Energy (eV)
I picchi del Ca e del Fe sono interamente
dovuti alla presenza di quegli elementi nella
vernice
Si può fare anche un
microfascio di protoni in aria
vista dall’alto del
punto di misura col
microfascio
(si vedono le lenti
magnetiche, il
“nasino” di uscita, i
rivelatori X e
gamma, telecameremicroscopio)
Dimensioni del fascio sul bersaglio (in aria):  10 mm
Applicazioni principali in
geologia, elettronica, biologia, ma
anche in problemi di interesse nel
campo dei beni culturali:
per es. i disegni a punta metallica
VARI TIPI DI PUNTA METALLICA PER DISEGNARE SU CARTA
( Köln, museo diocesano)
PUNTA D’ARGENTO
USATA DA
HANS CRANACH
Hannover, Landesmuseum
ROGIER
VAN DER WEYDEN
S. Luca che ritrae la
Vergine
(particolare)
Boston,
Museum of Fine Arts
PAOLO UCCELLO – STUDIO DI CAVALIERE
Uffizi, Gabinetto Disegni e Stampe – Punta metallica e bianco di piombo
carta preparata, verde-terra
PISANELLO
PROFILO DI DONNA
PARIS, LOUVRE
punta metallica
su carta preparata bianca
BENOZZO GOZZOLI
COPIA DAL GRUPPO DEI
DIOSCURI DI MONTE
CAVALLO
LONDON
BRITISH MUSEUM
punta metallica e bianco di piombo,
carta preparata azzurra
LEONARDO DA VINCI
STUDIO DI DRAPPEGGIO
ROMA, ISTITUTO NAZIONALE
PER LA GRAFICA
punta metallica, bianco di piombo
carta preparata rossa
Il problema è la traccia non uniforme lasciata dalla
punta metallica, in presenza di carta preparata che
contenga composti del medesimo metallo
1 mm
Carta preparata con cinabro + bianco di piombo
punta di Cu
2 mm
2 mm
mappa del Cu
punta di Pb
mappa del Pb
Inchiostri metallo-gallici
1 mm
mappa
del Fe
mappa
del Cu
1 cm
mappa del Cu
Foto in luce normale
Foto con
retroilluminazione
mappa del Fe
Foto in luce normale
Foto con
retroilluminazione
mappa del Ca
Foto in luce normale
Foto con
retroilluminazione
Conclusioni
Le applicazioni di tecniche nucleari ai Beni
Culturali sono veramente tante (molte più di
quanto io non abbia potuto raccontare) e portano a
risultati effettivamente utili
C’è ancora molto da migliorare in termini di
adattamento delle nostre tecniche alle specifiche
esigenze di questo settore, molto da fare per
estendere ulteriormente le possibili applicazioni,
molto per noi da imparare dagli umanisti
Presso il Polo Scientifico
dell’Università degli Studi di
Firenze, Sesto Fiorentino
http://labec.fi.infn.it
Grazie a:
gruppo LABEC
Luca CARRARESI, Agnese CARTOCCI,
Massimo CHIARI, Mariaelena FEDI,
Lorenzo GIUNTINI, Novella GRASSI,
Franco LUCARELLI, Marco MANETTI,
Mirko MASSI, Alessandro MIGLIORI,
Antonio MIRTO, Silvia NAVA, Francesco TACCETTI
e grazie mille a voi per l’attenzione!
[email protected]