La fisica

per i beni culturali

Pier Andrea Mandò

Dipartimento di Fisica e Astronomia, UniFi

& INFN, Sezione di Firenze

Biodola, IFA 2010

In generale, l’applicazione di indagini

scientifiche ai beni culturali può essere utile

per due scopi:

1) conoscenza e diagnosi

2) intervento sulle opere

Per inquadrare il problema:

il ruolo della scienza per i beni culturali

1) storici dell’arte, archeologi, storici della

scienza o delle tecnologie, etc.

• conoscenze “puntuali” su una singola opera per

chiarire dubbi di attribuzione e cronologia e portare

informazioni sulla specifica tecnica impiegata

dall’autore

• indagini più generali per tendenze storiche, fonti di approvvigionamento dei materiali, canali di scambio

commrciale in varie epoche, etc.

Utenza

2) restauratori e conservatori

prima dell’intervento:conoscenza dello stato di degrado delle opere

conoscenza del materiale su cui intervenire per evitare

incompatibilità e irreversibilità nelle procedure di restauro

durante il restauro:

come ausilio all’intervento “tradizionale” o addirittura

come tecnica operativa principale

Utenza

la fisica ha un ruolo prevalente nel primo campo

(datazioni, indagini sulla composizione dei

materiali, tecniche di imaging, diagnosi dei

problemi di deterioramento, etc).

Il ruolo della fisica nella diagnostica

dei beni culturali

anche nella fase dell’intervento la fisica offre oggi

sempre più spesso valide alternative all’approccio

chimico tradizionale

il grande vantaggio della quasi totalità delle

tecniche fisiche per i problemi di

diagnostica sta nella non invasività

(possibilità di rispondere al problema senza

effettuare prelievi o comunque danneggiare

l’opera)

• Tecniche di ablazione laser per la pulitura di

manufatti deteriorati (lapidei, metallici, affreschi)

• Radiografia e tomografia

• Termografia

• Spettrometrie in riflettanza VIS, UV, NIR

• Analisi di materiali con tecniche laser

microdistruttive (LIBS)

• Tecniche profilometriche (analisi “3D” di

superfici [deformazioni, distacchi, etc.])

Tecniche fisiche per i Beni Culturali

Tecniche fisiche per i Beni Culturali

• Tecniche di datazione diretta

(14C, Termoluminescenza)

• Tecniche “nucleari” per l’analisi di composizione

dei materiali

Fluorescenza X, Ion Beam Analysis

http://labec.fi.infn.it

collaborazioni con:

altri laboratori scientifici in Italia e in Europa

Sovrintendenze, Biblioteche, Dipartimenti di

archeologia e storia dell’arte, Istituti per la tutela del

patrimonio culturale (Istituto Centrale per il Restauro,

Opificio delle Pietre Dure), Regioni

© foto Luca Casonato Milano

© foto Luca Casonato Milano

LABEC – chi ci lavora

Luca Cararresi

Massimo Chiari

Lorenzo Giuntini

Franco Lucarelli

Pier Andrea Mandò

Marco Manetti

Silvia Nava

Francesco Taccetti

giallo � INFN

bianco � UniFi

azzurro � oberato da carichi gestionali

grigio � poco produttivo (per età et al)

Silvia Calusi (assegnista)

Giulia Calzolai (assegnista)

Mariaelena Fedi (ricerc. tempo det.)

Novella Grassi (assegnista)

Mirko Massi (assegnista)

Alessandro Migliori (assegnista)

Pamela Bonanni (dottoranda)

Lucia Caforio (dottoranda)

strutturati precari

Tandetron da 3 MV (tensione max di terminale)

3 sorgenti di ioni indipendenti

5 canali per Ion Beam Analysis (IBA) (+ 1 da completare)

1 canale per Accelerator Mass Spectrometry (AMS)

© foto Luca Casonato Milano

Al LABEC non si lavora

soltanto su applicazioni ai beni

culturali, né soltanto con

tecniche basate sull’uso

dell’acceleratore

sviluppi tecnologici (elettronica e automazione procedure, sistemi di acquisizione dati, sistemi di rivelazione, nuovi canali di

misura)

sviluppi metodologici (test di nuove idee di procedure applicative)

misure vere e proprie nell’ambito sia di:Tipologie di attività

riguardanti l’acceleratoreprogetti di ricerca interdisciplinare in collaborazione con altri

Enti pubblici (CNR, Enti di tutela del patrimonio, Enti di tutela

dell’ambiente) e altri Dipartimenti universitari

collaborazioni “interne” per supporto ad altri gruppi di fisici soprattutto di area INFN (test rivelatori, radiation damage, etc.)

attività “di servizio”

La facility del Tandetron al LABEC

IBA dualsource

3 MV Tandetron

chopped beam line

multi-angle scattering chamber

multipurpose IBA vacuum chamber

external beam(Cultural Heritage)

high-energyAMS

spectrometer

multi-sampleAMS source

externalmicro-beam

external beam(Environment)

Per il settore dei beni culturali si

effettuano con l’acceleratore:

le datazioni col

radiocarbonio

le analisi di composizione

con fasci ionici

Partiamo dalle analisi con fasci di

ioni per indagini sui materiali

Ion Beam Analysis (IBA)

Ion Beam Analysis (IBA)• Analisi di composizione di materiali tramite fasci prodotti da

acceleratori

tipicamente fasci di protoni o alfa di qualche MeV di energia

oggetto da analizzareacceleratore di particelle

fascio di particelle

Emissione di radiazioni di energie caratteristiche (raggi X, γ, particelle…)

Rivelazione della radiazione e analisi spettrale

Lapislazzuli

0

200

400

600

800

1000

C o

n t

e g

g i

Na

Al

Si

S

K

Ca

aa

emissione di

raggi gamma

(PIGE)

emissione

di raggi X

(PIXE)

diffusione elastica

degli ioni incidenti

(PESA)

Ion Beam Analysis (IBA)

emissione di

particelle

secondarie o

diffusione

inelastica degli ioni

incidenti

Pregi delle tecniche IBA

ASSOLUTA non distruttività e NESSUN danno

(fasci esterni, sezioni d’urto elevate, possibilità di

correnti debolissime - controllabili perfettamente)

ampia multielementalità specie se si integrano più

tecniche nello stesso set-up

analisi quantitativa molto affidabile

informazioni anche sulla eventuale struttura

stratigrafica, sempre in maniera

NON DISTRUTTIVA

Z crescen

te

sezioni d'urto di produzione X (serie K)

0,1

1

10

100

1000

10000

1 2 3 4 5

energia protoni (MeV)

Na

Ag

Zr

As

Fe

Ca

σX(barn)

sezioni d'urto di produzione X (serie L)

0,1

1

10

100

1000

10000

1 2 3 4 5

energia protoni (MeV)

Pb

Ba

Ag

Zr

Ta

σX(barn)

microfascio esterno - scansione - mappe

millifascio esterno - scansione - mappe

sistemi integrati PIXE-PIGE-BS

PIXE differenziale

sviluppo IBIL (Ion Beam Induced Luminescence),

anche con mappatura, per aggiungere informazioni

non solo elementali

Sviluppi di metodologie e set-up per

le tecniche IBA

Una caratteristica essenziale per le analisi nel campo

dei beni culturali

1 cm

il setil set--up di fascio esternoup di fascio esterno

Con un fascio esterno si può

determinare in modo completamente

non-distruttivo la composizione

quantitativa di qualunque materiale

Analisi PIXE con fascio esterno del

frontespizio del Pl.16,22 (XV secolo,

Biblioteca Laurenziana)

Antichi manoscritti

miniati,

... documenti storici,

Inchiostri dei manoscritti di Galileo sul moto

(Biblioteca Nazionale di Firenze) durante

l’analisi PIXE con fascio esterno

…terrecotte invetriate,

Analisi PIXE con fascio esterno del “Ritratto di fanciullo” di Luca Della

Robbia – prima del restauro all’Opificio delle Pietre Dure

…vetri antichi,

Analisi PIXE-PIGE con fascio esterno di tessere vitree da Villa

Adriana

…antichi ricami,

Analisi micro-PIXE e -PIGE dei fili

dorati di un ricamo rinascimentale su

disegno di Raffaellino del Garbo

…stampe fotografiche,

Analisi PIXE-PIGE di una “stampa”

su piastra metallica del XIX secolo

...disegni su carta,

Analisi PIXE-PIGE di un disegno su carta

preparata di Leonardo o scuola

Analisi PIXE-PIGE di un disegno su carta

preparata di scuola veronese, XVI secolo

...pitture su tela o tavola,

Analisi micro-PIXE e -PIGE del

“Ritratto Trivulzio” di Antonello da Messina

Analisi con PIXE differenziale e PIGE della

Madonna dei Fusi di Leonardo

Giorgio Vasari

Tavoletta raffigurante S.Lucia

dalla Pala Albergotti, Arezzo

Andrea Mantegna

Madonna col Bambino, dipinto su tela,

Accademia Carrara di Bergamo

…o qualunque altro materiale, per scopi anche

diversissimi dallo studio dei beni culturali

Uova di diversi allevamenti Polveri fini in aria (il famoso

PM) raccolte su filtri

La La strutturastruttura a a stratistrati delledelle pitturepitture

susu tavolatavola o o telatela

Come si possono

distinguere i contributi

dei differenti strati?

Ripetendo la misura sullo stesso punto con fasci di energie

diverse si può ricostruire la sequenza stratigrafica (dalla

preparazione all’imprimitura ai veri e propri strati pittorici)

PIXE differenziale

in maniera totalmente non distruttiva

senza necessità di prelievi

dalla conoscenza del rate di perdita di energia dE/dx del

fascio negli strati, si può arrivare a “misurarne” lo spessore

Un esempio di buono

sfruttamento delle

potenzialità IBA:

“Ritratto Trivulzio”

Antonello da Messina

Collab. con OPD e

Museo Civico di Palazzo

Madama, Torino

Misure di PIXE differenziale

Condizioni sperimentali� analisi su spot singoli

� protoni da 1 a 5.5 MeV

� dimensioni fascio Ø 0.5 mm

� correnti ~ 50 pA

� tempo di misura per spot 200-300 s

PIXE - protoni 3 MeVPIXE differenziale

• Linea di fascio esterno collimato

caratterizzazionecaratterizzazione deglidegli stratistrati pittoricipittorici, ,

inclusoincluso unauna stimastima dellodello spessorespessore locale in locale in

certecerte zone, ad zone, ad esempioesempio::

ConcentrandosiConcentrandosi sulsul mantellomantello rossorosso……

�� sfondosfondo scuroscuro �� pigmentopigmento a base a base didi Cu Cu

((spessorespessore dellodello stratostrato 3030÷÷45 45 µµm) m) susu unauna

preparazionepreparazione a gessoa gesso

�� bottonebottone biancastrobiancastro ((biancobianco didi piombopiombo ++giallogiallo

didi piombopiombo e e stagnostagno) ) susu unouno stratostrato rossorosso didi

cinabrocinabro ((HgSHgS))

Il mantello rosso

• C’era interesse a caratterizzare le pieghe scure e le ombreggiature

• Dagli spettri su punti singoli indicazione di uno strato ulteriore sopra il cinabro(HgS), ma…

• …grande variabilità da punto a punto nella presenza di altri elementi (come Al, Si, K, Fe…)

1 mm1 mm

Superficie inusuale, con macchioline scuredi dimensioni sub-millimetriche (visibili a malapena a occhio nudo)

necessità di una buona risoluzionespaziale e di una tecnica di imaging,

per correlare correttamente le distribuzioni elmentali ai dettagli

visibili

Condizioni sperimentali

– protoni da 3 MeV

– dimensione fascio Ø 50 µm

– Intensità di corrente ~ 50 pA

– singole aree scandite (deflessione magnetica del fascio) 2x2 mm2

– circa 15 minuti per area scandita (~ 60 full scans)

Analisi PIXE a scansione

1 mm

areearee scanditescandite integrandointegrando

la la scansionescansione magneticamagnetica

del del fasciofascio con con piccolipiccoli

spostamentispostamenti del del bersagliobersaglio

• facility di microfascio esterno

Esempio di risultati• Strato superficiale maculato

contenente Al e K

• Strato sottostante con S e Hg

laccalacca rossarossa susu

cinabrocinabro

LL’’effettoeffetto a a macchiolinemacchioline èè probabilmenteprobabilmente dovutodovuto a un a un

““ritiroritiro”” delladella laccalacca forseforse proprioproprio durantedurante ll’’essiccamentoessiccamento

Min.Min.

Max.Max.

2 mm2 mm

K K KKααAl Al KKαα

Hg M + S Hg M + S KKαα

Una sbirciata allo strato di preparazione

Ca Ca KKαα

Hg Hg LLαα

• Maggior quantità di X del Ca…

... e minore di X del Hg

si vede il calcio dallapreparazione a gesso

1 mm1 mm

Min.Min.

Max.Max.

in in corrispondenzacorrispondenza didi micromicro--fessurefessure

L’orologio naturale su cui si fonda il metodo è il

decadimento radioattivo del 14C

Datazioni

Il metodo del 14C è un grande contributo della

fisica nucleare all’archeologia

Principio della datazione col 14C

Il 14C è presente in atmosfera

(concentrazione costante: equilibrio fra i processi di

scomparsa per decadimento radioattivo e di continua

produzione per effetto della radiazione cosmica)

Tramite vari meccanismi,

TUTTI GLI ORGANISMI VIVENTI

PARTECIPANO A QUESTO EQUILIBRIO

e hanno perciò nei loro tessuti la stessa

concentrazione di 14C

FINCHE’ VIVENTI

A partire dalla morte di un organismo, il

decadimento radioattivo del 14C non è più

compensato da alcuna assunzione diretta o

indiretta dall’atmosfera, e ciò porta ad una

progressiva diminuzione della concentrazione

in 14C in un reperto di origine organica0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

0 10000 20000 30000 40000

C-1

4 c

on

cen

trati

on

tempo dalla morte (anni)

· 10-121

4R

(ra

pp

ort

o 1

4C

/12C

)

14R(t) = 14R0 · e –t/τ

τ = 8266 y

t = τ · ln [14R0 / 14R(t)]

Principio della datazione col 14C

δ t = τ ·[δ 14R(t) / 14R(t)] cioè :

1% errore in 14R(t) � ± 80 y

Datazioni

Tipicamente nucleari sono anche le tecniche di misura

della concentrazione residua di 14C, sia quella tradizionale

che sfrutta il conteggio dei decadimenti β dell’isotopo, sia

quella più moderna della spettrometria di massa con

acceleratori (AMS)

Il metodo del 14C è un grande contributo della

fisica nucleare all’archeologia

L’orologio naturale su cui si fonda il metodo è il

decadimento radioattivo del 14C

Possibili metodi di misura del 14C

Accelerator Mass SpectrometryAccelerator Mass Spectrometry

spettrometria di massa

la spettroscopia di massa

“standard” non è

sufficientemente sensibile per

discriminare le masse 14 dovute

al 14C da quelle degli isobari

interferenti

|dN/dt| = λ N

metodo radiometrico

misure delicate e difficili perché

decadimento β puro

necessarie grandi quantità di

campione(10÷100 g) e tempi di

misura lunghi (ore o anche

giorni)

(λ = 1/τ)

Misura della concentrazione di Misura della concentrazione di 1414C con AMSC con AMS

La sorgente di ioni La sorgente di ioni

negativi elimina negativi elimina

ll’’interferenza del interferenza del 1414NN

Lo stripping al terminale Lo stripping al terminale

elimina le interferenze di elimina le interferenze di 1313CH e CH e 1212CHCH22

LL’’analisi finale degli ioni ad alta energia analisi finale degli ioni ad alta energia

consente di eliminare eventuali interferenze consente di eliminare eventuali interferenze

residueresidue

Acceleratore Tandem

Sorgente, dove si

mettono i campioni da

analizzare

Analisi in massa

e sistemi di

rivelazione

Misura del 14C con AMS

→ sono databili reperti risalenti fino a oltre 50000

anni fa

→ non solo, ma per l’analisi bastano quantità

minuscole di materiale (mg)

SensibilitSensibilitàà a concentrazioni fino aa concentrazioni fino a 1010--1515

Il campione trattato viene bruciato (CO2) e poi ridotto a

grafite (CO2 + 2 H2 � 2 H2O + C)

Analizzatore elettrostatico dopo l’analisi

magnetica ad alta energia e contatore

finale del 14C

Datazioni 14C – la ricalibrazione

• la concentrazione di partenza in passato non è sempre

stata quella convenzionalmente assunta, dalla quale si

deduce un valore altrettanto convenzionale per l’età (età

di radiocarbonio: trC = τ ln R0/R(t) )

• migliaia di misure effettuate su campioni di età

misurata indipendentemente � curva di ricalibrazione

(età convenzionale vs. età vera) fino a quai 50000 anni fa

• si corregge così l’età convenzionale convertendola in

una data vera “calendariale”

Esempio di ricalibrazione dalla radiocarbon age all’età vera – ultimi 2000 anni

Atmospheric data from Reimer et al (2004);OxCal v3.10 Bronk Ramsey (2005); cub r:5 sd:12 prob usp[chron]

CalBC/CalAD 500CalAD 1000CalAD 1500CalAD 2000CalAD

Calibrated date

0BP

500BP

1000BP

1500BP

2000BPR

adio

carb

on

det

erm

inat

ion

età

convenzionale di radiocarbonio

data calendariale calibrata

Datazioni 14C al LABEC

0

50

100

150

200

250

300

350

II

sem.

2004

2005 2006 2007 2008 2009

numero campioni

Le reliquie conservate

presso la Chiesa di San

Francesco a Cortona e

la Basilica di Santa

Croce a Firenze

Gli scavi archeologici nel

centro di Firenze (Palazzo

Vecchio e Biblioteca

Magliabechiana)

Gli scavi archeologici nel

parco di Baratti-Populonia

Sedimenti fluviali – la successione di Abak Creek in Etiopia

Il Papiro di Artemidoro

La Croce di Rosano

L’Icona di Santa Maria Advocata

della Basilica di Santa Maria in

Aracoeli, Roma

Sviluppi AMS al LABEC

Progettata e costruita ex novo la parte finale del

canale di fascio con nuovi sistemi di monitoraggio

profilo fascio, rivelazione isotopi rari e

acquisizione dati

� per migliorare sensibilità e riproducibilità

delle misure 14C, ma anche in vista della misura di

nuovi isotopi

Sviluppi AMS al LABEC

Messa a punto di procedure per il pretrattamento

di nuovi materiali a fini datazione 14C (estrazione

collagene da ossa, estrazione cellulosa da legno e

carta, etc.) e per la separazione dello iodio

contenuto in campioni di acqua marina, per

misurare il rapporto isotopico dello 129I rispetto

allo 127I (valori attesi da 10-12 in su)

Sviluppi AMS al LABEC

Automazione delle procedure di preparazione dei

campioni per misure di 14C

Nuova linea di preparazione, con possibilità di una

procedura di combustione alternativa a quella

finora usata

Raddoppio della capacità di produzione campioni

grazie a modifiche della linea per la fase finale di

grafitizzazione

Non solo tecniche di analisi

con acceleratore

Al LABEC è stato sviluppato un

sistema XRF innovativo

che può per certi aspetti avvicinarsi alle prestazioni

delle tecniche IBA e ha il vantaggio della

portatilità

Affresco della

Resurrezione

Piero della Francesca

Sansepolcro,

Museo Civico

Dopo solo pochi mesi di vita, il nuovo XRF è già

stato utilizzato - oltre che per le misure sulla

Resurrezione di Pier della Francesca - anche su:

La Madonna del Granduca di Raffaello (Gall. Palatina)

Il crocifisso dipinto del maestro di Figline (S.Croce)

I globi del Coronelli (Ist. e Museo di Storia della Scienza)

Affreschi del XIII sec. recentemente scoperti a Bologna

A breve: affreschi di Giotto (Cappella Peruzzi, S.Croce)