Alcune applicazioni della tecnica PIXE nel campo dei Beni Culturali

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1 Alcune applicazioni della tecnica PIXE nel campo dei Beni Culturali Materiale didattico ricevuto dal Prof. Mandò dell Università degli Studi di Firenze Milano, Novembre 2004 Milano, 4 aprile 2002

2 Fisica e Beni Culturali l intervento della scienza e della tecnologia nei problemi relativi ai beni culturali è sempre più frequente la fisica ha un ruolo prevalente nel campo della diagnosi (es. composizione dei materiali, ricerca delle cause di deterioramento, datazioni) il grande vantaggio della quasi totalità delle tecniche fisiche nella fase conoscitiva-diagnostica sta nella non invasività

3 Analisi di materiali in campo archeometrico - PERCHÉ? informazioni storiche su sviluppi tecnologici e fonti di approvvigionamento nel passato datazioni indirette attribuzioni, autenticazioni (o scoperta di falsi) scelta di tecniche di restauro compatibili e reversibili

4 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,...)

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6 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

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9 Ion Beam Analysis (IBA) rivelatore Si Lapislazzuli C o n t e g g 600 Al 400 S Ca 200 Na K 0 spettro di energie segnali radiazione caratteristica fascio di particelle campione

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11 L attuale laboratorio del KN3000, alla Sezione INFN di Firenze

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

13 Particle-Induced X ray Emission (PIXE)

14 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

15 Esempi di Si Lapislazzuli spettri C o n t e g g i Na Al S K Ca PIXE (pigmenti di miniature) C o n t e g g i Cu Si Azzurrite Ca Cu Cu Energia (ev)

16 Fascio esterno facilità nel maneggiare e muovere il bersaglio analisi di oggetti di qualunque dimensione prelievi non necessari riscaldamento trascurabile nessun problema di disidratazione

17 Fascio esterno 1 cm

18 Analisi di ceramiche

19 Analisi di miniature

20 Analisi di inchiostri in manoscritti di interesse storico

21 Analisi di composizione di qualunque materiale possa interessare

22 Punti di forza della PIXE nel campo dei beni culturali multi-elementale, quantitativa bassissime correnti, fasci esterni micro-analisi non distruttiva

23 Misure con PIXE-esterno sui manoscritti tempere nelle miniature inchiostri carta, pergamena, papiro

24 Miniatura inizio XII secolo

25 Miniatura inizio XII secolo

26 Miniatura fine XII secolo

27 Miniatura da una Bibbia del XIII secolo

28 Frontespizio Pl.16,22 (XV secolo)

29 Misure con PIXE-esterno sui manoscritti - tempere blu Si Lapislazzuli C o n t e g g i Na Al S K Ca 0 C o n t e g g i Cu Si Azzurrite Ca Cu Cu Energia (ev)

30 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

31 Misure con PIXE-esterno sui manoscritti - tempere verdi si è trovato che venivano usati diversi pigmenti o miscele è possibile discriminare malachiti di origine diversa sulla base del contenuto di impurezze uso sorprendente del lapislazzulo in miscele blu-giallo per ottenere il verde

32 Misure con PIXE-esterno sui manoscritti - tempere verdi

33 Misure con PIXE-esterno sui manoscritti - tempere verdi

34 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

35 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)

36 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

37 Esempi di spettri X di inchiostri Conteggi Fe Fe 200 Mn Cu 0 Ms.Gal.72 f.128 Pb Pb Zn Pb Fe 2000 Ms.Gal.26 f.29v differenti Conteggi Conteggi Fe Zn Mn Cu Zn Pb Pb Fe Ms.Gal.14 f.27r Fe 500 Mn Cu 0 Zn Zn Pb Pb Energia (ev)

38 GALILEO E IL MOTO NATURALE Le idee di Galileo sul moto naturale sono evolute nel corso della sua vita ( ) 1642) da convincimenti tradizionali alle idee assolutamente moderne riportate nelle Due nuove scienze (1638). Il cammino concettuale attraversato per raggiungere la sistematizzazione finale è testimoniato direttamente in circa 200 fogli manoscritti contenenti proposizioni, schizzi di disegni, note di esperimenti, calcoli. Questi fogli sono adesso raccolti in un volume, Ms.Gal.72,, del fondo galileiano della Biblioteca Nazionale di Firenze

39 Sequenze di numeri e calcoli apparentemente senza nesso

40 Note di esperimenti e calcoli

41 Note di spesa nel Ms.Gal.26

42 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

43 È plausibile una datazione delle note sulla base della composizione degli inchiostri? l inchiostro ai tempi di Galileo era sicuramente fatto in casa di conseguenza, è ragionevole aspettarsi che almeno i rapporti quantitativi fra gli ingredienti variassero da una partita a un altra la vita media di una partita di inchiostro non deve però essere né troppo lunga né troppo breve

44 Analisi PIXE preliminare di alcune lettere scritte da Galileo

45 Analisi PIXE degli inchiostri di scritti datati di Galileo gli inchiostri usati sono metallo-gallici la composizione dell inchiostro in documenti scritti a breve intervallo di tempo è molto simile la composizione dell inchiostro varia da un periodo a un altro Si può quindi sperare che la misura della composizione dell inchiostro in un documento non datato possa aiutare a ricostruire la sua collocazione cronologica

46 Datazione del f.128

47 F. 164v - confronto fra due proposizioni a f.164v 3 prop. a f.164v 4 prop.

48 F. 164v - confronto fra due proposizioni numero di casi rapporto in peso 164v Cu/Fe ^ prop. 3^ prop. 164v Cu/Zn numero di casi rapporto in peso 164v Pb/Fe ^ prop. 3^ prop ^ prop. 3^ prop. numero di casi rapporto in peso

49 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

50 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

51 Analisi RBS

52 Esempio di spettro RBS (simulazione) protoni 3 MeV 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

53 Simulazione di spettro RBS ottenuto con alfa da 3 MeV su un campione spesso Bulk di Cu ricoperto con doratura di 1 µm di spessore θ = 170, risoluzione 15 kev FWHM Dalla larghezza del picco dell oro 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 µm di spessore θ = 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.

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