FISICA PER I BENI CULTURALI

P. SapiaUniversità della Calabria

a.a. 2009/10

V – Tecniche RX based: Radiografia, TAC, XRF, PIXE

Collocazione spetrale dei raggi X

Due modalità di produzione di RX

Elettrone energetico che passa vicino ad un nucleo di elemento ad alto Z e viene deflesso (forte accelerazione):

Bremsstrahlung (radiazione di frenamento): spettro continuo

Due modalità di produzione di RX

Ionizzazione: espulsione di un elettrone “profondo” e successivo riassestamento con emissione di un fotone X

Raggi X caratteristici: spettro con picchi caratteristici dell’elemento

Due modalità di produzione di RX

Le componenti dovute alle due differenti modalità di produzione sono sovrapposte:

Produzione: tubo RX

Produzione: tubo RX

Spettri al variare della tensione di accelerazione degli elettroni incidenti sull’anodo:

Diverse tecniche basate sui raggi X

• RADIOGRAFIA “tradizionale”

• TAC

• XRF (FLUORESCENZA INDOTTA DA RAGGI X)

• PIXE (Particle Induced X-ray Emission)

CLICK

“La Festa degli Dei” - National Gallery of Art, Washington(Bellini, ca. 1512 + Tiziano, 1529 + Dosso, 1522)

ESEM

PIO

DI R

AD

IOG

RA

FIA

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“La Festa degli Dei” - National Gallery of Art, Washington(Bellini, ca. 1512 + Tiziano, 1529 + Dosso, 1522)

ESEM

PIO

DI R

AD

IOG

RA

FIA

TOMOGRAFIA (TAC)

La tomografia permette di ricostruire con buona risoluzione

spaziale la geometria interna dei manufatti artistici.

Prende il nome dal fatto che le immagini sono delle “fette”

(dal greco “τομοσ”) del manufatto ottenute facendolo ruotare

attorno ad un asse ed irraggiandolo perpendicolarmente

all’asse stesso con un fascio X di piccola sezione.

Il computer effettua la ricostruzione dell’immagine utilizzando

tecniche di calcolo basate sulla suddivisione in celle elementari

( voxel ) del manufatto da ricostruire

TOMOGRAFIA (TAC)

ESEMPIO: La mummia di Ramesses I (http://carlos.emory.edu/ramesses/)

TOMOGRAFIA (TAC)

ESEMPIO: La mummia di Ramesses I (http://carlos.emory.edu/ramesses/)

La tomografia ha evidenziato alcune particolarità del metodo di

imbalsamazione come la sostituzione del cervello con resina

FLUORESCENZA INDOTTA DA RAGGI X

XRF

XRF: schema

Sorgente diRaggi X

Campione

Rivelatore

XRF: cosa permette di ottenere

Le radiazioni emesse per fluorescenza sono caratteristiche degli elementi chimici presenti

nella composizione del campione

XRF: cosa permette di ottenere

Lo SPETTRO XRF costituisce una sorta di IMPRONTA DIGITALE del materiale di cui è

fatto il campione

PRINCIPALI CLASSI DI PIGMENTI

UBIQUITA’ SPAZIO-TEMPORALE DELL’IMBROGLIO!

Abside dell’altare maggiore della Cattedrale di Valencia

Dipinti di Hernando Llanos y Yanez de la Alamedina

(1507-1510)

Si tratta di un solfosilicato di sodio e alluminio (3NaAlSiO4Na2S) dal quale si ottengono pigmenti di notevole pregio e

COSTO.

UBIQUITA’ SPAZIO-TEMPORALE DELL’IMBROGLIO!

Abside dell’altare maggiore della Cattedrale di Valencia

Hernando Llanos y Yanez de la Alamedina

Nel CONTRATTO di commissione dell’opera è specificato che per le tonalità del blu dovranno essere utilizzati pigmenti a base di lazulite

(lapislazzuli)

Gli spettri XRF delle porzioni blu/azzurro non mostrano la presenza di Zolfo né di Silicio

UBIQUITA’ SPAZIO-TEMPORALE DELL’IMBROGLIO!

Abside dell’altare maggiore della Cattedrale di Valencia

Hernando Llanos y Yanez de la Alamedina

(J.F. Calabuig – Unità di Archeometria del ICMUV. Università di Valencia)

In compenso c’è tanto Rame

UBIQUITA’ SPAZIO-TEMPORALE DELL’IMBROGLIO!

Abside dell’altare maggiore della Cattedrale di Valencia

Hernando Llanos y Yanez de la Alamedina

(J.F. Calabuig – Unidad de Arqueometria del ICMUV. Universitat de Valencia)

NON ha utilizzato

UBIQUITA’ SPAZIO-TEMPORALE DELL’IMBROGLIO!

CONCLUSIONE:

Hernando Llanos y Yanez de la Alamedina

AZULITE(pregiata e costosa)

UBIQUITA’ SPAZIO-TEMPORALE DELL’IMBROGLIO!

CONCLUSIONE:

Hernando Llanos y Yanez de la Alamedina

NON ha utilizzatoAZULITE

(pregiata e costosa)

Bensì la più comune (ed economica!)

AZZURRITE(minerale a base di rame)

Restauro della statua bronzea del Perseo di Benvenuto Cellini realizzata presso gli Uffizi in

Firenze durante il 1998.

ESEMPI APPLICAZIONE XRF

Spettro di fluorescenza corrispondente al gomito destro della statuautilizzando un generatore X equipaggiato con un anodo di tungsteno edoperato alla tensione di HV=35 kV. Lo spettro di fluorescenza permette diottenere direttamente la composizione della lega bronzea che risulta inquesto punto essere composta da rame (Cu), stagno Sn (~3.6%), piomboPb (~6%), antimonio Sb (~1%), ferro Fe (<1%) ed argento Ag (<1%). Lacomposizione della lega cambia leggermente in altri punti della statua. Lavariazione della lega bronzea indica i punti in cui sono stati fatti interventisuccessivi rispetto alla fusione originaria.

ESEMPI APPLICAZIONE XRF

La fluorescenza X può essere utilizzata anche per studiare quantitativamente lostato della patina verde che ricopre la statua. La patina crea un ulteriore stratosuperficiale di materiale. In Fig. sono comparati gli spettri X ottenuti in puntidiversi della statua dove lo spessore della patina superficiale è diversa. Notiamoche la resa degli X da 25 keV dovuti alle transizioni Ka dello stagno (Sn) èpraticamente uguale nei due spettri. Al contrario, gli X dovuti al rame (Cu) sonomolto meno energetici (8-9 keV) e quindi sono molto più fortemente assorbiti acausa della presenza della patina. Guardando al rapporto delle rese X di dueelementi diversi (come Sn e Cu in questo caso) è possibile ottenere una misuradello spessore della patina nei diversi punti in cui vengono eseguite la misure.

ESEMPI APPLICAZIONE XRF

ESEMPI APPLICAZIONE XRF

Il Caprone d’ Oro di Akrotiri (Grecia)

• Circa tremila seicento anni fa una eruzione vulcanica dinotevole entità cancellò ogni forma di vita sull’ isola diSantorini (Thera) nel Mar Egeo sotto 30 chilometricubi di pomice e ceneri vulcaniche.

• Il caprone d’ oro rappresenta un oggetto archeologicodi grande interesse poiché è l’ unico manufatto d’ ororitrovato negli scavi di Akrotiri nel dicembre 1999 . Tuttigli altri oggetti preziosi furono rimossi dagli abitanti diThera prima dell’ eruzione che devastò l’ isola e seppellìla città. L’ oggetto proviene anche da un particolareedificio pubblico noto come “Edificio delle panche” , cheera vicino al famoso “Xeste”, gruppo di tre edifici sededei riti dei giovani della locale classe superiore. Il fattoche il caprone sia stato trovato in loco aumenta la suaimportanza poiché l’ oggetto è stilisticamente unico.

ESEMPI APPLICAZIONE XRF

Il caprone venne ritrovato durante degli scavi, in condizioni di perfettaconservazione all’ interno di una scatola di legno (di cui si è ritrovata solo lostampo) all’ interno di un blocco di argilla, vicino ad una grande pila dicorni, principalmente di caprone. Si può quindi ipotizzare che l’ oggettofosse utilizzato in rituali di tipo sacrificale. La statuetta è cava e si supponeche venne realizzata utilizzando uno stampo di cera.Le zampe, la testa e la coda dell’ animale vennero saldate dopo aver rimossoil contro-stampo interno di cera. Nel processo di finitura l’ oggetto è statomartellato, come risulta dalle impronte ritrovate.La lavorazione di questo oggetto prezioso e specialmente il processo disaldatura rappresentano un grande motivo di interesse per gli studiosi. InFig. sono comparati due spettri XRF misurati sul Caprone. Lo spettroindicato come Goat_1 è stato misurato esattamente sopra la zampaanteriore sinistra. In questa posizione non vi sono contaminanti e puòquindi essere considerata come rappresentativa del metallo utilizzato perrealizzare l’ oggetto. Lo spettro è dominato dalle transizione dell’ oro (Au)con piccole contaminazioni di argento (Ag) e bronzo(Cu). Lo spettro Goat_4è stato invece preso dalla zona di saldatura della coda. In esso si puòfacilmente notare un aumento della resa delle transizioni del rame a causadel materiale di riporto utilizzato in questo processo.

ESEMPI APPLICAZIONE XRF

ESEMPI APPLICAZIONE XRF

ESEMPI: ANALISI XRF DI MONETE

• Zwicky-Sobczyk e Stern (*) hanno analizzato delle moneteromane rinvenute in Svizzera.

• Hanno caratterizzato più di 600 monete incrociando i datiottenuti da misure XRF (relative alle righe k-Ag e l-Ag) conquelli di densità.

• I risultati testimoniano il declino dei valori (anchenell’accezione economica del termine!) in atto nell’ImperoRomano: la lega usata per il conio risulta più povera in Agrispetto a periodi precedenti, ma la superficie delle monete èarricchita in argento rispetto agli strati più profondi !!! (**)

(*) Archaeometry 39, 392 (1997)(**) Prof. Calabuig, Unità di Archeometria dell’ICMUV – Università di Valencia

ESEMPI: ANALISI XRF DI MANUFATTI CERAMICI

• Punyadeera et al. (*) hanno impiegato la tecnica per ottenereinformazioni sulla provenienza di vasellame dell’Età del Ferrorinvenuto in Sudafrica.

• I campioni da sottoporre ad analisi XRF sono stati finementemacinati, omogeneizzati, mescolati con una sostanza legante equindi compressi a formare tavolette di dimensione e formastandardizzata, con la superficie ben levigata.

• Per la calibrazione sono state impiegate quattro tavolette,ottenute con la stessa procedura da campioni geologici dicomposizione nota.

• I dati relativi a vasellame proveniente da diversi siti sono statiraggruppati in base alla composizione ed interpretati in termini diinterazioni socio-culturali tra i siti stessi.

(*) X-Ray Spectrometry 26, 249 (1997)(**) Prof. Calabuig, Unità di Archeometria dell’ICMUV – Università di Valencia

PIXE (cenno)

PIXE

XRF

Principio dell’analisi PIXE

• dunque, anche le differenze tra di esse, cioè le energiedei raggi X, sono caratteristiche della specie atomica dacui sono emessi

→ la rivelazione e classificazione delle energie X permette diidentificare e quantificare i differenti elementi presentinel campione-bersaglio del fascio

• le energie degli elettroni nei diversilivelli atomici sono caratteristiche diciascuna specie atomica