Fisica nucleare e beni culturali: - INFN Sezione di Ferrara

Fisica nucleare e beni culturali:
acceleratori di particelle
per l’arte e l’archeologia
Pier Andrea Mandò
Dipartimento di Fisica dell’Università di Firenze
Istituto Nazionale di Fisica Nucleare - Sezione di Firenze

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 la fisica nucleare che
contributi può dare?

La fisica nucleare e le sue tecnologie, in
particolare quelle basate sull’uso degli
acceleratori di particelle, sono molto importanti
per la diagnostica dei beni culturali
Datazioni archeologiche
Analisi non distruttiva di materiali
con fasci ionici

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

Su cosa si basano le datazioni 14 C
Il 14 C è un isotopo radioattivo del carbonio,
presente in tutti gli organismi viventi
In un reperto di origine organica, ne resta tanto
meno, quanto più vecchio è il reperto
C’è una relazione precisa fra la quantità residua
nel reperto e il tempo passato dalla morte
dell’organismo da cui proviene
Quindi, misurando questa quantità residua, si può
sapere l’età del reperto

Precisiamo meglio
Il 14 C (radiocarbonio)
si forma nella troposfera (15-18 Km di altezza) per
effetto del bombardamento naturale dei raggi cosmici
La sua concentrazione (circa uno ogni mille miliardi di
atomi di carbonio)
resta pressoché costante, per effetto di un equilibrio
dinamico fra la continua “produzione” e la continua
“scomparsa” per decadimento radioattivo

Precisiamo meglio
Tramite i vari metabolismi biologici,
TUTTI GLI ORGANISMI VIVENTI
PARTECIPANO A QUESTO EQUILIBRIO
e hanno perciò nei loro tessuti 14 C con circa la stessa
concentrazione che in atmosfera
FINCHE’ VIVENTI

concentrazione di C-14
1,4
1,2
0,8
14 C: principio-base
A partire dalla morte di un organismo, il
decadimento radioattivo del 14C, non più
1
compensato da una riassunzione per via dei
0,6
0,4
metabolismi biologici, porta ad una
progressiva 0,2 diminuzione della concentrazione
0
∙10 -12
14 R(t) = 14 R0 · e –t/t
t = t · ln [ 14 R 0 / 14 R(t)]
di questo isotopo nei resti organici
0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000 40000
tempo trascorso dalla morte (anni)

1.2
1
0.8
0.6
0.4
0.2
0
Quali conseguenze sulla datazione, se
Il tempo trascorso che si deduce è
funzione sia del valore misurato per
la concentrazione di 14C che del
“punto di partenza” che si è assunto
il valore iniziale non è stato sempre lo
t 2
stesso, nel passato?
t 1
0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000 40000

Occorre perciò “ricalibrare” per
tener conto delle variazioni del
“punto di partenza” nel passato

Questo si può fare
misurando la concentrazione di 14 C
residua in campioni di età certa
indipendentemente
(cioè con t noto)

Grazie a decine di migliaia di
misure di concentrazione di 14 C
effettuate negli ultimi decenni su
reperti datati indipendentemente,
sono state costruite delle curve di
ricalibrazione affidabili

Ricalibrazione dalla radiocarbon
age all’età vera
12000BP
10000BP
8000BP
6000BP
4000BP
2000BP
0BP
Atmospheric data from Reimer et al (2004);OxCal v3.10 Bronk Ramsey (2005); cub r:5 sd:12 prob usp[chron]
8000CalBC 6000CalBC 4000CalBC 2000CalBC CalBC/CalAD 2000CalAD
Calibrated date

Ricalibrazione dalla radiocarbon
age all’età vera – ultimi 2000 anni
2000BP
1500BP
1000BP
500BP
0BP
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

sulla base di queste curve di
ricalibrazione si corregge il
risultato iniziale “convenzionale”
per arrivare alla data
calendariale più probabile

4300BP
4200BP
4100BP
4000BP
3900BP
3800BP
Atmospheric data from Reimer et al (2004);OxCal v3.10 Bronk Ramsey (2005); cub r:5 sd:12 prob usp[chron]
Radiocarbon determination
4000±20BP
3000CalBC 2800CalBC 2600CalBC 2400CalBC 2200CalBC
Calibrated date
68.2% probability
2565BC (48.4%) 2520BC
2500BC (19.8%) 2475BC
95.4% probability
2580BC (95.4%) 2470BC
4100BP
4000BP
3900BP
3800BP
3700BP
Atmospheric data from Reimer et al (2004);OxCal v3.10 Bronk Ramsey (2005); cub r:5 sd:12 prob usp[chron]
3890±20BP
2600CalBC 2400CalBC 2200CalBC 2000CalBC
Calibrated date
68.2% probability
2460BC (68.2%) 2340BC
95.4% probability
2470BC (95.4%) 2290BC

4500BP
4400BP
4300BP
4200BP
4100BP
Atmospheric data from Reimer et al (2004);OxCal v3.10 Bronk Ramsey (2005); cub r:5 sd:12 prob usp[chron]
4270±20BP
3100CalBC 3000CalBC 2900CalBC 2800CalBC 2700CalBC 2600CalBC
Calibrated date
68.2% probability
2905BC (68.2%) 2885BC
95.4% probability
2910BC (95.4%) 2875BC

Ma come si fa a misurare la
concentrazione di 14 C in un
reperto?
Non è banale: si tratta di misurare una
concentrazione bassissima (problema di sensibilità)
e per di più con piccola incertezza sperimentale
(problema di precisione)
es.: 0.5% errore sulla concentrazione 40 anni di incertezza nell’età

Si utilizza un acceleratore
di particelle
(Accelerator Mass Spectrometry)
La spettrometria di massa con acceleratore riesce a
coniugare sensibilità e precisione
..e per di più senza distruggere quantità
apprezzabili del reperto! (bastano solo pochi
milligrammi, o anche meno)

Come funziona l’AMS?
Il reperto opportunamente pretrattato viene collocato
nella sorgente di ioni dell’acceleratore

Accelerator Mass Spectroscopy (AMS)
Come funziona l’AMS?
Il reperto opportunamente pretrattato viene collocato
nella sorgente di ioni dell’acceleratore
Gli ioni che se ne estraggono vengono accelerati nella
macchina, acquistando un’elevata energia

Come funziona l’AMS?
Il reperto opportunamente pretrattato viene collocato
nella sorgente di ioni dell’acceleratore
Gli ioni che se ne estraggono vengono accelerati nella
macchina, acquistando un’elevata energia
Grazie all’energia acquisita si può effettuare
un’analisi Analizzatore di massa sugli elettrostatico ioni, determinando dopo l’analisi in modo
preciso e ultrasensibile magnetica ad quanti alta energia sono gli e contatore ioni carbonio
di massa 14 rispetto a quelli di
finale
massa
del
12
14C

Misura del 14 C con AMS
Sensibilità a concentrazioni fino a 10 -15
sono databili reperti risalenti fino a oltre
50000 anni fa
massa del campione da “sacrificare”
per la datazione 1 mg

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
Rivelazione della
radiazione e analisi
spettrale 1000
Si Lapislazzuli
800
acceleratore di particelle
C o n t e g g i
600
400
200
0
Na
Al
S
Ca
K
fascio di particelle
Emissione di radiazioni di
energie caratteristiche
(raggi X, g, particelle…)
oggetto da
analizzare

Ion Beam Analysis (IBA)

PIXE: Particle Induced X-Ray Emission
raggio X
E X = ΔE
ΔE
L’energia dei raggi X è caratteristica dell’elemento

C o n t e g g i
C o n t e g g i
1000
800
600
400
200
0
4000
3000
2000
1000
Esempi di spettri PIXE
0
0
1000
Na
Al
2000
Si
S
3000
Lapislazzuli
K
Ca
Azzurrite
Si
Cu Ca
Cu
4000
Energia (eV)
5000
6000
7000
8000
Cu
9000
10000

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

Una caratteristica essenziale per le analisi nel campo
dei beni culturali
il set-up di fascio esterno
1 cm

Con un fascio esterno si può
determinare in modo completamente
non-distruttivo la composizione
quantitativa di qualunque materiale

Antichi manoscritti
miniati,
Analisi PIXE con fascio esterno del
frontespizio del Pl.16,22 (XV secolo,
Biblioteca Laurenziana)
... documenti storici,
Inchiostri dei manoscritti di Galileo sul moto
(Biblioteca Nazionale di Firenze) durante
l’analisi PIXE con fascio esterno

…vetri antichi,
Analisi PIXE-PIGE con fascio
esterno di tessere vitree da Villa
Adriana
…terrecotte invetriate,
Analisi PIXE con fascio esterno del
“Ritratto di fanciullo” di Luca Della
Robbia – prima del restauro
all’Opificio delle Pietre Dure

…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

Analisi PIXE-PIGE di un disegno su carta
preparata di Leonardo o scuola
...disegni su carta,
Analisi PIXE-PIGE di un disegno su carta
preparata di scuola veronese, XVI secolo

...pitture su tela o tavola,
Analisi con PIXE differenziale e PIGE della
Madonna dei Fusi di Leonardo
Analisi micro-PIXE e -PIGE del
“Ritratto Trivulzio” di Antonello da Messina

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

Esempi di
applicazioni di
AMS e IBA

Chiesa di S.Francesco a Cortona
Fondata da Padre Elia pochi anni dopo la
morte del Santo. Conserva tre importanti
reliquie francescane:
una tonaca
un cuscino
un evangeliario

Alla fine del 2005 è stato completato il restauro dell’edificio.
Nell’ambito di un progetto di valorizzazione della chiesa la
provincia toscana dell’Ordine Francescano, sotto la guida della
Sovrintendenza, ha deciso di eseguire uno studio approfondito
delle reliquie.
Studio storico e stilistico
Studio scientifico
La datazione al radiocarbonio con tecnica AMS della
tonaca e del cuscino è stata eseguita presso il
laboratorio LABEC di Firenze.

Il cuscino
La fodera, riccamente ricamata, è stata donata dalla
nobildonna Jacopa de’ Settesoli per contenere il
cuscino su cui è stata deposta la testa di S.Francesco
al momento della sua morte.
Il cuscino ha una struttura complessa:
Tre differenti involucri di lino e lana alternate ricoprono il nucleo centrale
in piume.
Due campioni provenienti dalle due fodere più interne sono stati prelevati
per la datazione

La tonaca
fronte retro
Secondo la tradizione è stata usata per coprire il santo al momento della
morte. E’ formata da molte pezze di lana cucite insieme.

Prelevati molti campioni
da zone diverse, sia dal
davanti che dal retro
della tonaca
Le zone di prelievo sono
comunque
prevalentemente vicino ai
bordi o intorno a zone
rovinate
Esigua quantità di materiale
prelevato (~1 cm 2 di
tessuto)
Eliminate possibili
ambiguità
Minima invasività

La tonaca di S.Croce a Firenze
Per confronto è stato deciso di datare anche la tonaca conservata nella chiesa
di S.Croce a Firenze, anch’essa considerata essere appartenuta a S.Francesco
fronte
retro
Un campione è stato prelevato anche dal cordone esposto insieme alla tonaca
(campione SFF6)

Risultati
età convenzionale (anni)
1100
1000
900
800
700
600
500
Cortona_1
Cortona_3
Cortona_5
Cortona_6
Cortona_7
cuscino_1
cuscino_2
S.Croce_1
S.Croce_2
S.Croce_3
S.Croce_4
S.Croce_5
S.Croce cingolo

Atmospheric data from Reimer et al (2004);OxCal v3.10 Bronk Ramsey (2005); cub r:5 sd:12 prob usp[chron]
1100BP tonaca Cortona : 857±18BP
1000BP
900BP
800BP
700BP
600BP
900CalAD 1000CalAD 1100CalAD 1200CalAD 1300CalAD 1400CalAD
Calibrated date
68.2% probability
1170AD (68.2%) 1215AD
95.4% probability
1155AD (95.4%) 1225AD

Atmospheric data from Reimer et al (2004);OxCal v3.10 Bronk Ramsey (2005); cub r:5 sd:12 prob usp[chron]
tonaca Cortona 857±18BP
cuscino 1 915±40BP
cuscino 3 885±30BP
Tonaca S.Croce 666±18BP
cingolo S.Croce 852±34BP
600CalAD 800CalAD 1000CalAD 1200CalAD 1400CalAD 1600CalAD
Calibrated date

La datazione del
papiro di Artemidoro

Prelevati tre minuscoli frammenti
Arte1
Arte2
Arte3
Punto di prelievo massa
(mg)
Carta geografica –
sezione destra –
a sei cm dalla
colonna quarta
Ultima parte –
esercizi
Prima parte –
bordo inferiore
5
6.5
5

Atmospheric data from Reimer et al (2004);OxCal v3.10 Bronk Ramsey (2005); cub r:5 sd:12 prob usp[chron]
Arte1 1974±80BP
Arte2 1906±67BP
Arte3 1958±33BP
500CalBC CalBC/CalAD 500CalAD
Calibrated date
data calendariale a cui risale il taglio della
pianta da cui è stato preparato il papiro
fra il 15 AD e l’85 AD (confid. level 68.2%)
fra il 40 BC e il 130 AD (confid. level 95.4%)

Una lettera di Galileo durante
l’analisi PIXE con fascio esterno al
vecchio acceleratore di Firenze
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
Confronto della composizione
dell’inchiostro negli appunti
(non datati) con quella di
documenti datati (lettere, etc.)

Alcuni fogli dal
Ms.Gal.72
(Bibl. Naz. Firenze)

Conteggi
Conteggi
Conteggi
1400
1200
1000
800
600
400
200
0
Mn
Fe
Fe
Cu Zn
Ms.Gal.72 f.128
4000 5000 6000 7000 8000 9000 10000 11000 12000 13000 14000
2500
Fe
2000
Ms.Gal.26 f.29v
1500
1000
500
0
4000 5000 6000 7000 8000 9000 10000 11000 12000 13000 14000
3000
Fe
Ms.Gal.14 f.27r
2500
2000
1500
1000
500
0
Come si discriminano inchiostri
Pb
Fe Zn
Cu
Mn Zn Pb Pb
Mn
diversi con PIXE
Fe
Cu Zn
4000 5000 6000 7000 8000 9000 10000 11000 12000 13000 14000
Energia (eV)
Pb
Zn Pb
Pb
Pb

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...

F. 164v - confronto fra le due proposizioni
Penultima
proposizione
Ultime due righe

Analisi di dipinti su
tavola o tela

Leonardo da Vinci
Madonna dei fusi
versione ex-Reford
(collezione privata)
Olio su tavola, 50 x 36
presumibilmente dipinto
nel 1501

La struttura a
strati delle pitture
su tavola o tela

Come si possono
distinguere i contributi
dei differenti strati?

PIXE differenziale
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)
dalla conoscenza delle perdite di energia del fascio nel
penetrare negli strati, si può arrivare a “misurarne” lo
spessore
in maniera totalmente non distruttiva
senza necessità di prelievi

Counts/nC
Counts/nC
Counts/nC
Counts/nC
30
25
20
15
10
5
a
Ca
Fe Hg
2.8 MeV
Pb
0
2.52000
4000
b
2.0
6000 8000 10000 12000 14000 16000
Energy (eV)
2.3 MeV
1.5
1.0
0.5
0.0
1.02000
4000 6000 8000 10000 12000 14000 16000
0.8 c
Energy (eV) 2 MeV
0.6
0.4
0.2
0.0
0.62000
4000 6000 8000 10000 12000 14000 16000
0.5 d
Energy (eV)
Fe
1.8 MeV
0.4
0.3
0.2
0.1
Ca
Hg
Hg
0.0
2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 16000
Energy (eV)
Pb
Pb
a
b
c
d
Fe ematite?
Incarnato
Hg uso del cinabro come pigmento
rosso
Pb bianco di piombo (nello strato
pittorico? nel substrato di
preparazione? in entrambi?)
I picchi del Ca e del Fe sono interamente dovuti
alla presenza di quegli elementi nella vernice.
Quelli del Pb, sia alla preparazione che allo
strato pittorico
Si ottiene anche una stima dello spessore dello
strato pittorico: solo 15 – 20 mm!!

Uno sviluppo recente nelle
analisi IBA sui beni culturali:
misure a scansione
con microfasci esterni
Utilizzando sistemi di focheggiamento forte (quadrupoli
magnetici), è possibile ottenere fasci di particelle delle
dimensioni dei mm.
Slitta di definizione
O
Slitta di collimazione L
Slitta di collimazione L
Slitta di collimazione
p q
I
O: oggetto
L : dispositivo focheggiante
I: immagine
L’effetto è equivalente a quello
ottico di una lente convergente
su un fascio di luce!
p: distanza lente - oggetto
q: distanza lente - immagine

Linea di
microfascio
esterno

Set-up per misure IBA al microfascio
beam

Mappe di concentrazione degli elementi
• Scansione col microfascio di aree selezionate
• Durante la scansione, ogni volta che viene rivelato un
“evento” (raggio X, raggio g…) il software acquisisce:
–l’energia E della radiazione, che caratterizza l’elemento
–la posizione (x,y)
cioè si associano radiazione
emessa e suo punto di origine
Dalle terne (E,x,y) si può così ricostruire come sono
distribuiti i vari elementi all’interno dell’area scandita
y
x

Counts
500
400
300
200
100
0
Mg
Na
Al
Si
2 mm
S
K
Ca
0 1 2 3 4 5 6 7 8
Energy (keV)
Inchiostro metallo-gallico
(documento del XVII secolo)
spettri PIXE relativi all’intera zona scandita
Fe
Counts
1400
1200
1000
800
600
400
200
0
Ca
Mn
Fe
2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
Energy (keV)
Cu
Zn

Ca
2 mm
Distribuzione degli elementi
Fe
2 mm S
2 mm
nell’inchiostro
S
Cu
Ca
Fe
max
min

Antonello da
Messina
Ritratto Trivulzio
Torino, Museo Civico
di Palazzo Madama
Olio su tavola, 38 x 30
1476

Ritratto Trivulzio
Prime misure (PIXE standard) eseguite allo scopo di
caratterizzare tecniche e materiali pittorici
1 mm

Ritratto Trivulzio
Prime misure (PIXE standard) eseguite allo scopo di
caratterizzare tecniche e materiali pittorici
Mantello rosso: superficie stranamente “maculata
Imaging composizionale su aree selezionate
con PIXE a scansione

Ritratto Trivulzio: misure PIXE a scansione
analizzate 2 regioni a cavallo delle pieghe più scure:
1 mm

Counts
Ritratto Trivulzio: misure PIXE a scansione
spettro X “complessivo” sull’area scandita
14000
12000
10000
8000
6000
4000
2000
0
Al
Si
Hg + S
0 1 2 3 4 5
X-ray energy (keV)
K
Ca
Counts
40000
30000
20000
10000
0
Fe
Hg
5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15
X-ray energy (keV)

Ritratto Trivulzio: misure PIXE a scansione
Max.
Min.
Hg M+S K
Al K
Immagine ottica
Al e K sono correlati con le zone più scure (lacca rossa) e sono
sulla superficie; Hg (cinabro) viene dal dietro
1 mm
K K

Un dipinto “non comune” di Mantegna
• “Madonna col Bambino”
olio su tela su cui non è mai stata stesa la vernice protettiva;
dipinto direttamente sulla tela senza strato di preparazione (una
tecnica assolutamente inusuale)
set-up del
microfascio a scansione
Madonna col Bambino (1460) 43x31 cm 2
Accademia Carrara (Bergamo)

Esempi di primi risultati
L’occhio della Vergine
Au L α
2 mm
Au L α
Sn K Fe
2 mm
Si Al
Pb Lα Pb L α
Il velo

Grazie dell’attenzione
mando@fi.infn.it