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LUCE

Appunti per il corso di

Fisica per i Beni Culturali

Prof. R. BarberiA.A. 2007/08

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Programma del corso

• Onde: lunghezza d’onda, frequenza, velocità• Le onde elettromagnetiche• Lo spettro elettromagnetico• La propagazione della luce: principio di Fermat• Riflessione e rifrazione• Il microscopio otiico• I colori, UV e IR• Le sorgenti luminose ed il laser• Lo spettrofotometro• Spettri di emissione• Spettri di assorbimento• La fotoluminescenza• Luce e materia: i fotoni• Il microscopio elettronico• Applicazioni al campo dei beni culturali: La fluorescenza UV, La riflettografia

IR, Lo scanner laser, L’olografia• Esperienze

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Dimensioni

• 103 m – montagne

• 1 m – il nostro mondo quotidiano

• 10-3 m – millimetri, la vista

• 10-6 m – micron, la luce

• 10-9 m – nanometri, gruppi di atomi, molecole, nanotecnologie

• 10-10m – Ångstrom, l’atomo

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Onde

• In fisica l'onda è un movimento periodico o impulsivo che si propaga in un mezzo (non necessariamente un mezzo materiale) con una velocità ben definita.

• L’onda elettromagnetica è costituita dalla propagazione di un campo elettromagnetico, nel vuoto o in un mezzo che la consente.

• La luce è l’insieme delle onde elettromagnetiche visibili all’occhio umano

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Onde• La lunghezza d'onda è la

distanza tra punti ripetitivi di una forma d'onda. Viene comunemente indicata dalla lettera greca lambda (λ).

• La lunghezza d'onda ha una relazione inversa con la frequenza, il numero di picchi passati in un dato tempo.

• La lunghezza d'onda è uguale alla velocità dell'onda c divisa per la sua frequenza v.

In un'onda sinusoidale, la lunghezza d'onda è la distanza tra i picchi:

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La luce

Il termine luce (dal latino, lux, lucis) si riferisce alla porzione dello spettro elettromagnetico visibile dall'occhio umano, ed è approssimativamente compresa tra 400 e 700 nanometri (nm) di lunghezza d'onda, ovvero tra 750 e 428 THz di frequenza. Questo intervallo coincide con la regione di massima emissione da parte del sole. I limiti dello spettro visibile all'occhio umano non sono uguali per tutte le persone, ma variano soggettivamente e possono raggiungere i 380 nanometri, avvicinandosi agli ultravioletti, e i 730 nanometri avvicinandosi agli infrarossi.

HzTHzmnmNota 129 101101:

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Propagazione

La luce si propaga a una velocità finita. Anche gli osservatori in movimento misurano sempre lo stesso valore di c.La velocità della luce nel vuoto è

c = 299 792, 458 m/s. Nell'uso comune, questo valore viene arrotondato a 300 000 km/s.

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Spettro elettromagnetico

La luce visibile è una porzione dello spettro elettromagnetico compresa approssimativamente tra i 400 e i 700 nm.La luce è anche caratterizzata dalla sua frequenza.

Frequenza f e lunghezza d'onda obbediscono alla seguente relazione:

= c / f

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Spettro elettromagnetico

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Spettro elettromagnetico

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Colori

• Le differenti lunghezze d'onda vengono interpretate dal cervello come colori, che vanno dal rosso delle lunghezze d'onda più ampie (minore frequenza), al violetto delle lunghezze d'onda più brevi (maggiore frequenza).

• Non a tutti i colori possiamo associare una lunghezza d'onda. Ad ogni lunghezza d'onda è associabile un colore, ma non è vero il contrario. Ciò dipende dal funzionamento della nostra vista che può “sommare” i colori fondamentali.

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Il colore è la percezione che deriva dalla composizione spettrale della luce (visibile) che colpisce la retina.

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Assorbimento della radiazione visibile e percezione del colore

of Max.Absorption

380-420420-440440-470470-500500-520520-550550-580580-620620-680680-780

ColorAbsorbed

violetviolet-blue

blueblue-green

greenyellow-green

yelloworange

redpurple

ColorObserved

green-yellowyelloworange

redpurpleviolet

violet-blueblue

blue-greengreen

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Ultravioletto ed infrarosso

• Le frequenze immediatamente al di fuori dello spettro percettibile dall'occhio umano vengono chiamate ultravioletto (UV), per le alte frequenze, e infrarosso (IR) per le basse.

• Anche se gli esseri umani non possono vedere l'infrarosso, esso viene percepito dai recettori della pelle come calore.

• Alcuni animali, come le api, riescono a vedere gli ultravioletti; altri invece riescono a vedere gli infrarossi.

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Sorgenti di luce

• Lampada ad incandescenza

• Lampada alogena

• Lampada fluorescente

• Lampada a scarica

• LED

• Laser

• …

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Lampada ad incandescenza

• È la classica “lampadina”• è una sorgente luminosa in cui

la luce viene prodotta dal riscaldamento (fino a circa 2700 K) di un filamento di tungsteno attraverso cui passa la corrente elettrica.

• genera al 90% calore e luce per il 10

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Lampada alogena

• La lampadina alogena è una particolare lampada ad incandescenza, ma ci sono alcune fondamentali caratteristiche che differenziano i due prodotti.

• Al gas contenuto nel bulbo viene aggiunto iodio, kripton, e, a volte, xeno per permettere il riscaldamento del filamento fino a oltre 3000 K, in modo da aumentare l'efficienza luminosa e spostare verso l'alto la temperatura di colore, cioè la luce è più bianca.

• “Temperatura di Colore” è un termine usato in illuminotecnica per quantificare la tonalità della luce.

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Lampada a scarica• La lampada a scarica è un tipo di

lampadina basata sull'emissione di radiazione elettromagnetica da parte di un plasma di gas ionizzato. La ionizzazione del gas è ottenuta per mezzo di una scarica elettrica (da cui il nome) attraverso il gas stesso.

• È costituita da una ampolla o un tubo di vetro o quarzo contenente il gas e almeno due elettrodi tra cui avviene la scarica.

• Il gas può anche essere il vapore di un elemento solido o liquido, per esempio mercurio o sodio.

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Lampada fluorescente

La lampada fluorescente è un particolare tipo di lampada a scarica in cui l'emissione luminosa visibile è indiretta, ovvero non è emessa direttamente dal gas ionizzato, ma da un materiale fluorescente (da cui il nome).

Questo tipo di lampade sono erroneamente chiamate lampade al neon o tubi al neon, ma in realtà il funzionamento è dovuto alla presenza di vapori di mercurio e non al neon.

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Spettri di emissione

• Sono l'insieme delle radiazioni elettromagnetiche emesse da una sorgente luminosa

• Gli spettri continui presentano tutti i colori dal rosso al violetto sfumati l'uno nell'altro. Sono emessi dalle lampade ad incandescenza e da quelle alogene.

• Gli spettri a righe presentano righe colorate su sfondo nero; sono emessi da sostanze gassose o rese gassose a bassa pressione, come nelle lampade a scarica. Ogni spettro è caratteristico di ogni sostanza.

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L'insieme delle radiazioni comprese nel campo di lunghezze d'onda del visibile forma una luce bianca.

Ogni sorgente primaria ha un proprio caratteristico spettro di emissione

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Spettro continuo in luce trasmessa

RM C

S

S = sorgente M = elemento disperdente

C = campione R = rivelatore

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Spettri di emissione

Spettro continuo

Spettro a righe

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LED

• LED è l'acronimo di Light Emitting Diode (diodo ad emissione luminosa)

• È un dispositivo a stato solido che sfrutta le proprietà ottiche di alcuni materiali semiconduttori per produrre luce (fotoni)

• Esistono di tutti i colori, anche IR e UV

Spettro di un led bianco

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Laser• Laser è l'acronimo inglese di

Light Amplification by the Stimulated Emission of Radiation, ovvero Amplificazione di Luce tramite Emissione Stimolata di Radiazione.

• Questa sigla indica un dispositivo in grado di emettere un fascio di luce coerente e, generalmente, monocromatica, e concentrata in un raggio rettilineo estremamente collimato.

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Spettro di un Laser

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SpettroscopioGli spettri si osservano con uno spettroscopio.Per realizzare uno spettroscopio ottico, occorre montare opportunamente sul fascio di luce un elemento dispersore che devia con angoli differenti lunghezze d’onda differenti. Esistono due tipi di elementi dispersori: il prisma e il reticolo

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Prisma• I prismi sono usati per

dividere la luce nelle sue componenti spettrali. Questa dispersione avviene perché l'angolo di rifrazione dipende dall'indice di rifrazione che dipende dalla lunghezza d'onda.

• La dispersione della luce nel vetro di un prisma è usata per costruire spettrometri

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Reticolo di Diffrazione

• Il Reticolo di Diffrazione svolge le medesime funzioni del prisma di vetro e consiste di una superficie metallica o di vetro su cui sono incise numerose fenditure molto ravvicinate.

• Un buon reticolo ha potere di dispersione molto alto e permette quindi di cogliere meglio numerosi dettagli dello spettro in analisi.

• Questo tipo di spettroscopio è particolarmente adatto per lo studio di radiazione nella regione ultravioletta e dei raggi X. Anche il reticolo, come il prisma, può essere inserito in uno spettroscopio.

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Luce e materia

La luce, come tutte le onde elettromagnetiche, interagisce con la materia. I fenomeni più comuni osservabili sono:

• l'assorbimento• la trasmissione• la riflessione• la rifrazione

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Luce e materia

• Quando la luce interagisce con la materia scambia energia per pacchetti discreti detti fotoni.

• L’energia di un fotone vale E = hν, dove h è la costante di Planck e

v è la frequenza della radiazione

• L’energia scambiata aumenta con la frequenza• h = 6.626 x10-34 Js

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La tecnica si basa sull’assorbimento di fotoni da parte delle molecole, le quali passano dallo stato energetico fondamentale ad uno stato eccitato.

Ground state

Excited states

En

erg

y

Ground state

Excited states

En

erg

y

Mh Mh

Spettrofotometria UV-vis-NIR

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Schema per l’osservazione di uno spettro di emissione

La luce che attraversa il prisma è emessa dalla sorgente

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Schema per l’osservazione di uno spettro di assorbimento

La luce che attraversa il prisma è emessa da una sorgente bianca e

attraversa la sostanza da analizzare

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Lo spettrometro ad assorbimento permette di determinare la natura di una sostanza ignota, mediante l’analisi della luce che la attraversa. Scissa da un prisma (o da un altro elemento dispersivo) nei colori fondamentali che la compongono e opportunamente focalizzata da un sistema di lenti e fenditure. La luce che raggiunge lo schermo è composta dalle lunghezze d’onda che non sono state assorbite dal campione da analizzare

Spettro di assorbimento

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Segnale:

trasmittanza (T%) = I / I0

assorbanza (Abs) = log 1/T

Abs

orba

nce

Abs

orba

nce

Riconoscimento dello ione Cr(III) in un vetro silice-soda-calce attraverso lo spettro di assorbimento: 450-655-684 nm

I0

I

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Spettral ScannerLo Spettrometro Spectral Scanner permette di acquisire la composizione spettrale di ogni punto dell' oggetto scansionato: si ottiene dunque la distribuzione delle intensità delle diverse lunghezze d'onda per ogni punto campionato.Una volta messa a fuoco, l'immagine viene acquisita riga per riga, come in un normale scanner, attraverso una fenditura; l'ottica dello spettrometro separa la radiazione di ogni singolo punto della riga nelle sue componenti spettrali la cui intensità è rilevata da una camera costituita da una matrice bidimensionale di elementi fotosensibili.

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Fibre Ottiche• Le fibre ottiche sono filamenti di materiali vetrosi

o polimerici, realizzati in modo da poter condurre la luce. Sono normalmente disponibili sotto forma di cavi.

• Sono flessibili, immuni ai disturbi elettrici ed alle condizioni atmosferiche più estreme, e poco sensibili a variazioni di temperatura. Hanno le dimensioni di un capello e pesano molto poco, una singola fibra pesa infatti circa 20 kg/km compresa la guaina che la ricopre.

• Ogni singola fibra ottica è composta da due strati concentrici di materiale trasparente estremamente puro: un nucleo cilindrico centrale, o core, ed un mantello o cladding attorno ad esso. Il core presenta un diametro molto piccolo di circa 10 μm, mentre il cladding ha un diametro di circa 125 µm. I due strati sono realizzati con materiali con indice di rifrazione leggermente diverso, il cladding deve avere un indice di rifrazione minore (tipicamente vale 1.475) rispetto al core (vale circa 1.5). Come ulteriore caratteristica il mantello (Buffer) deve avere uno spessore maggiore della lunghezza di smorzamento dell'onda evanescente, caratteristica della luce trasmessa in modo da catturare la luce che non viene riflessa nel core.

• All'esterno della fibra vi è una guaina protettiva polimerica detta jacket che serve a dare resistenza agli stress fisici e alla corrosione ed evitare il contatto fra la fibra e l'ambiente esterno.

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Spettrofotometro UV-visibile-NIR di Spettrofotometro UV-visibile-NIR di dimensione estremamente ridottedimensione estremamente ridotteRange spettrale: 200-1100 nmRange spettrale: 200-1100 nmIl segnale di emissione dalla lampada e Il segnale di emissione dalla lampada e quello riflesso dal campione sono quello riflesso dal campione sono trasportati da una fibra otticatrasportati da una fibra ottica

Spettrofotometro portatile a fibra ottica

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Spettri di pigmenti verdi e blu

a) malachite; b) blu oltremare; c) atacamitea) malachite; b) blu oltremare; c) atacamite

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Pigmento rosso

cinabro + ematitecinabro + ematite

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Principio di Fermat

Alla base dell’ottica geometrica si ha il Principio di Fermat:

il percorso fra due punti preso da un raggio di luce è quello che è attraversato

nel minor tempoQuesto principio permette di spiegare i fenomeni della riflessione e della rifrazione e di costruire quindi modelli efficaci per le lenti e gli strumenti ottici.

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Riflessione

Riflessione speculare della luce su una superficie levigata

Riflessione diffusa della luce su una superficie scabra

La riflessione speculare della luce segue 2 regole fondamentali:

1 - Il raggio incidente ed il raggio riflesso giacciono sullo stesso piano

2 - L'angolo di incidenza e l'angolo riflesso sono equivalenti

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Indice di rifrazione

La velocità della luce dipende dal mezzo attraversato.

Quando la luce passa attraverso una sostanza trasparente, come l'aria, l'acqua o il vetro, tuttavia, la sua velocità v viene ridotta e la luce è sottoposta a rifrazione.

n è detto “indice di rifrazione”

n

cv

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Riflessione e Rifrazione

1

2

2 )ˆsin(

)ˆsin(

n

n

r

i

2n

L’angolo di riflessione è uguale e a quello incidente

L’angolo di rifrazione dipende dall’angolo di incidenza e dal rapporto tra gli indici di rifrazione delle sostanze attraversate

1n

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Effetti della rifrazione

La cannuccia sembra piegata, a causa della rifrazione della luce tra l'acqua e l'aria

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Rifrazione di un prisma su luce composta da 2 colori

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Lenti

• Una lente è un elemento ottico che ha la proprietà di concentrare o divergere i raggi di luce.

• Normalmente è realizzata in vetro o materiali plastici.

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Formazione delle immagini

Una lente positiva o convergente focalizza un fascio collimato parallelo all'asse in un punto focale, a distanza f dalla lente.

se un oggetto è posto a distanza S1 sull'asse della lente positiva di focale f, su uno schermo posto a distanza S2 si formerà l'immagine dell'oggetto.

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Strumenti Ottici

Sistemi di lenti permettono di realizzare gli strumenti ottici più comuni come:

- il telescopio

- il microscopio

- le fotocamere

- ecc.

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Il microscopio ottico

Il miscoscopio ottico è uno strumento che consente di ingrandire l’immagine di oggetti di piccole dimensioni per permetterne l'osservazione diretta o indiretta per esempio tramite fotografia

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Schema di un microscopio ottico

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Microscopio

Si definisce ingrandimento, indicato con M, il rapporto tra le dimensioni dell'oggetto originale, e quelle dell'immagine ottenuta. È dato da:

M=Mo·Me

dove Mo è l'ingrandimento dell'obiettivo e Me quello dell'oculare.Il potere risolutivo d di un microscopio è la distanza minima alla quale due punti risultano distinti. Per un microscopio ottico in luce visibile d è circa 0,2 micron

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Ultravioletti - UV

• La radiazione ultravioletta (UV o raggi ultravioletti) è una radiazione elettromagnetica con una lunghezza d'onda inferiore alla luce visibile, ma maggiore dei raggi X. Il nome significa "oltre il violetto" (dal latino ultra, "oltre"), perché il violetto è il colore visible con la lunghezza d'onda più corta.

• L'UV può essere suddiviso in UV vicino (380-200 nm) e UV estremo (200-10 nm).

• Il Sole emette anche luce UV.• Gli UV possono essere emessi da lampade a

scarica a vapori di mercurio

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Fluorescenza

La fluorescenza è la capacità di alcuni materiali di emettere luce quando vengono colpiti da raggi ultravioletti o da altri tipi di radiazioni (anche luce visibile, in tal caso emettono luce di colore diverso), il nome deriva dalla fluorite, minerale di calcio e fluoro, alcuni campioni del quale sono, appunto, fluorescenti, ed è stato proprio nella fluorite che il fenomeno è stato scoperto.La fluorescenza si distingue dalla fosforescenza, altro fenomeno che comporta l'emissione di luce, in quanto i materiali fluorescenti cessano di essere luminosi al cessare dello stimolo che ne determina la luminosità, invece nei materiali fosforescenti la luce continua ad essere emessa per un certo periodo dopo la fine dello stimolo.

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FluorescenzaLa fluorescenza è quindi la proprietà di alcune sostanze di riemettere a frequenza più bassa le radiazioni ricevute, in particolare di assorbire luce ultravioletta ed emetterla visibile,come accade per esempio negli evidenziatori. Semplificando il processo (che è descritto in maniera più completa nei paragrafi seguenti), gli ultravioletti eccitano gli atomi della sostanza fluorescente, facendo saltare gli elettroni in un'orbita più esterna. Subito dopo gli elettroni tornano al livello precedente emettendo luce visibile.

Minerali Fluorescenti

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Spettro di fluorescenza

Spettro di assorbimento (a destra) e spettro di emissione (a sinistra) di una molecola fluorescente

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Fluorescenza UV

La fluorescenza UV permette di valutare lo stato di conservazione e discriminare le vernici ed i pigmenti utilizzati in un dipinto, originali o provenienti da passati interventi di restauro, anche quando essi appaiono indistinguibili ad occhio nudo.

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Escludendo un limitato numero di eccezioni, gli oggetti di indagine nel campo beni culturali sono opachi

Spettroscopia di riflettanza

Registra lo spettro della radiazione diffusa dalla superficie del

campione, inclusa o esclusa la componente riflessa

I0 Ir

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Applicazioni della spettrometria UV-Vis-NIR

Riconoscimento di pigmenti (effetto della vernice e della granulometria) inorganici ed organici

(Riconoscimento di leganti)

Riconoscimento di prodotti di degrado su materiali lapidei (tipicamente solfati, ossalati e nitrati)

Riconoscimento di agenti coloranti nei vetri

Misura del colore

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Riflettografia IR

La riflettografia infrarossa (IR) permette la visualizzazione di particolari nascosti dallo stato pittorico superficiale grazie alla parziale trasparenza alla radiazione IR dei materiali che lo compongono.

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Scanner laser• Lo scanner laser a tempo

di volo è un sistema simile al radar, che impiega una sorgente di luce pulsata.

• Per le sue caratteristiche di accuratezza e di distanza di misura, è un sistema particolarmente adatto per il rilievo architettonico o geomorfologico.

Nuvola di punti da scanner laser

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Olografia

• La tecnica olografica si basa sul fenomeno dell'interferenza ottica.

• L'olografia è una tecnologia ottica di memorizzazione di una informazione ottica sotto forma di registrazione di un finissimo intreccio di frange di interferenza con impiego di luce laser.

• L'informazione registrata è l'interferenza tra una parte di luce (proveniente dal laser) riflessa da uno specchio e del fronte d'onda riflesso da un oggetto su una lastra fotografica a grana finissima chiamato ologramma.

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Il microscopio elettronico (SEM)

Il microscopio elettronico a scansione (SEM) ricava l'immagine illuminando con un fascio di elettroni un oggetto anche relativamente grande (un insetto per esempio) e rilevando gli elettroni secondari riflessi, e può quindi fornire immagini 3D. Può analizzare solo oggetti conduttori o semi-conduttori. Gli oggetti organici devono quindi essere prima rivestiti con una sottile lamina metallica. Questo strumento ha la necessità di operare in condizioni di vuoto elevato: per questo è stato sviluppato il microscopio elettronico ambientale a scansione che, libero da questo vincolo, è in grado di analizzare anche campioni di materiale organico conservandone le condizioni di temperatura, pressione ed umidità.

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Il microscopio elettronico (TEM)

Il microscopio elettronico a trasmissione (TEM) fa attraversare un campione molto sottile (da 5 a 500nm) da un fascio di elettroni, quindi con un insieme di magneti (che funzionano come le lenti del microscopio ottico) ingrandisce l'immagine ottenuta che viene infine proiettata su uno schermo fluorescente rendendola visibile. Dà immagini della struttura interna dell'oggetto esaminato, al contrario del SEM che ne dà solo la superficie, ma permette si ottenere solo immagini 2D. Raggiunge i nanometri, permettendo di vedere anche le molecole più piccole.

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Il SEM

Microscopio SEMDipinto del Vasari: analisi al microscopio ottico in alto a

destra ed al SEM in basso a destra (fonte ENEA)

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BibliografiaFondamenti di Fisica di Halliday, Resnick

Sitografia webhttp://www.dipintiautenticita.com/

http://patrimonioculturale.enea.it/

http://patrimonioculturale.enea.it/ambiti-di-ricerca/diagnostica-avanzata-per-la-conservazione-ed-il-restauro

http://www.arrigoamadori.com/lezioni/TutorialFisica/OtticaGeometrica/OtticaGeometrica1.htm

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Modalità di esame

esame orale sulla base di una tesina di approfondimento di uno dei temi trattati nel

corso con riferimento al campo dei beni culturali

oppure

esame orale a seguito del superamento di un test scritto proposto immediatamente

prima della prova orale