Studiare opere d’arte e reperti archeologici con la fisica nucleare

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ATTUALITÀ PER LA CLASSE

Può forse sorprendere, ma la fisica nucleare, quella branca della fisica dedicata ai costituenti fondamentali della materia, può essere di grande aiuto quando si tratta di analizzare in dettaglio dipinti, manoscritti, manufatti e resti archeologici. Con tecniche e principi che permettono di effettuare datazioni, analisi di composizione e attività di restauro.

Pier Andrea Mandò

Fisica nucleare e beni culturali: il binomio può forse sorprendere, ma i due ambiti possono effettivamente essere molto vicini. La fisica nucleare è quella branca della fisica che studia le proprietà dei costituenti fondamentali della materia, cioè dei nuclei atomici e delle “particelle elementari”, con le loro ulteriori strutture interne, le loro interazioni e trasformazioni. Così come i suoi principi e le sue tecnologie sono cruciali in tanti settori della medicina, anche per studiare “pazienti” come opere d’arte o reperti archeologici, la fisica nucleare può rivelarsi molto importante: in effetti, strumenti come acceleratori di particelle e rivelatori di radiazione, inventati per fare misure di fisica nucleare fondamentale, sono stati messi anche al servizio dei beni culturali.

Orologio radioattivo per reperti archeologici o artistici

Pensiamo per esempio alla datazione scientifica di reperti archeologici o opere d’arte. Uno dei metodi più utilizzati, fondato proprio sulla fisica nucleare, è quello del 14C (radiocarbonio), isotopo radioattivo del carbonio. È infatti il ritmo del decadimento del 14C che serve da “orologio” per sapere quanto è vecchio un reperto che sia stato un tempo parte di un essere vivente, animale o vegetale (parliamo quindi di legni, semi, ossa, peli, stoffe ecc.). In particolare, il metodo permette di misurare quanto tempo è passato dalla morte dell’organismo a cui il reperto apparteneva. Da noi al LABEC, Laboratorio di tecniche nucleari per l’ambiente e i beni culturali dell’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare di Firenze, come in altri laboratori nel mondo dedicati a questo tipo di analisi, passano ogni anno decine e decine di reperti archeologici di cui stabilire l’età, reliquie religiose di cui scoprire la compatibilità o meno con la loro attribuzione, opere d’arte per svelare eventuali falsi.

Il metodo del radiocarbonio

Ma come funziona il metodo del radiocarbonio? Vediamo. Pur se in quantità relativa bassissima, il 14C – isotopo di carbonio di massa 14 – è presente nel diossido di carbonio dell’atmosfera: circa una ogni mille miliardi di molecole di CO2 ha come atomo di carbonio il 14C anziché 12C (il più frequente) o 13C. Essendo radioattivo, il 14C prima o poi “decade”, cioè diventa qualcos’altro. Ci si può chiedere allora: come mai in atmosfera non finisce mai? Il motivo ha ancora a che fare con la fisica nucleare: sono infatti i raggi cosmici, particelle che arrivano sulla Terra dallo spazio, a creare continuamente nuovi nuclei di 14C. I processi di formazione e decadimento si bilanciano in un “equilibrio dinamico” che ne mantiene una concentrazione costante in atmosfera. Praticamente la stessa concentrazione di 14C la troviamo anche in tutti gli esseri viventi, per effetto degli scambi metabolici di carbonio fra le loro molecole organiche e il CO2 atmosferico: scambio diretto (fotosintesi) per i vegetali, indiretto (tramite i cicli alimentari) per gli animali. Anche negli organismi viventi, come in atmosfera, avvengono continui decadimenti di 14C (in un uomo sono 3-4000 al secondo), ma i processi metabolici di riassunzione compensano i decadimenti e la concentrazione resta costante. Dopo la morte però, nei resti dell’organismo, il 14C che scompare per decadimento radioattivo non è più “rimpiazzato” tramite i metabolismi! E così, a partire dalla morte la concentrazione di 14C lentamente decresce, seguendo l’andamento esponenziale decrescente “dettato” dalla legge generale del decadimento radioattivo. Nel caso specifico del 14C, il ritmo della diminuzione è tale che dopo 5700 anni ne saranno sopravvissuti la metà, dopo altri 5700 anni un quarto, e così via. Dunque, se misuriamo oggi la concentrazione residua di 14C in un resto, siccome conosciamo la concentrazione “di partenza” (quella dell’equilibrio con l’atmosfera) e l’andamento della progressiva diminuzione, possiamo anche determinare il tempo trascorso dalla morte.

Spettrometro

Misura a elevata precisione

Ma non solo il principio su cui si basa la datazione appartiene alla fisica nucleare. Anche i metodi e gli strumenti di misura della concentrazione residua di 14C nei resti organici sono nucleari. Stiamo parlando di una misura che richiede grande sensibilità, perché la concentrazione è bassissima, ma anche grande precisione, per avere solo piccole incertezze nella data ricavata. E questa misura può essere effettuata anche su quantità davvero minuscole di materiale – pochi capelli, un semino, una scheggia di legno, un centimetro quadrato di stoffa – grazie a una tecnica chiamata AMS, Accelerator Mass Spectrometry, basata su particolari acceleratori di particelle, i Tandem. Il carbonio ottenuto dal reperto si mette nella “sorgente di ioni” del Tandem; gli atomi presenti nel materiale sono ionizzati e iniettati nell’acceleratore; in uscita, gli ioni carbonio vengono separati e contati secondo le loro masse (12-13-14), usando magneti, rivelatori di particelle e altri apparati. Solo grazie alle elevate energie finali e ai particolari meccanismi di accelerazione in queste macchine si raggiunge l’enorme sensibilità necessaria per il conteggio selettivo dei pochissimi isotopi di 14C, così da misurarne la concentrazione rispetto al totale. E si riescono a misurare concentrazioni di 14C anche di solo uno ogni milione di miliardi, che è quella rimasta in reperti vecchi di circa 50 mila anni!

Datare laterizi e terrecotte

Il 14C, dunque, è fondamentale per datare i resti organici. Ma per quanto riguarda i materiali inorganici, come terrecotte e laterizi, di grande interesse archeologico? Anche in questo caso la fisica nucleare offre una mano, grazie a una tecnica chiamata termoluminiscenza, basata di nuovo sul fenomeno della radioattività: quella interna di alcune componenti di quei materiali, e quella dell’ambiente esterno in cui sono rimasti conservati. La dose di radioattività progressivamente rilasciata nelle componenti di struttura cristallina dei materiali vi produce una forma di “danno”, che cresce con il tempo. Ora, nella cottura di una terracotta o di un laterizio, le alte temperature per così dire “resettano” il danno accumulato nel materiale crudo. Subito dopo, però, il danno ricomincia ad accumularsi proporzionalmente al tempo trascorso dal riscaldamento, e può essere misurato prelevando una piccolissima frazione dal manufatto e scaldandola di nuovo ad alte temperature. In questo modo si produce infatti una debole luce (da qui il termine termoluminescenza), la cui intensità è proporzionale alla dose di danno accumulata e quindi anche al tempo trascorso dal precedente riscaldamento. Con la TL, quindi, ciò che si data è il tempo trascorso dall’ultimo forte riscaldamento del materiale, che in genere coincide con la sua cottura e dunque proprio con ciò che interessa, la sua produzione come manufatto!

Tra dipinti, mosaici e terrecotte

Altro contributo importante delle tecniche nucleari al mondo dei beni culturali sono le analisi di composizione di materiali. Sì, importante: perché conoscere quali materiali sono stati usati da un artista per produrre un’opera non è uno sfizio fine a se stesso, ma è spesso cruciale sia per approfondire le conoscenze storiche sulle tecnologie e sui materiali disponibili nel passato, sia come conoscenza preliminare al restauro per indirizzarne le scelte operative, per esempio nei materiali di pulitura. Noi del LABEC abbiamo avuto la fortuna, lavorando in collaborazione con musei, biblioteche e istituzioni per la tutela del patrimonio, di effettuare campagne di analisi su dipinti di Giotto, Simone Martini, Piero della Francesca, Raffaello, Leonardo, Mantegna, Antonello, Beato Angelico, Vasari. E non solo: abbiamo lavorato anche su decine di miniature medioevali e rinascimentali, manoscritti di Galileo, terrecotte invetriate robbiane (prodotte con la tecnica messa a punto nel Quattrocento dai Della Robbia), mosaici pompeiani.

Dentro l’opera: l’analisi della composizione

La composizione di opere, documenti, manufatti, può essere ottenuta velocemente in maniera completa, quantitativa, e soprattutto senza arrecare il minimo danno, usando le tecniche di Ion Beam Analysis (IBA). Funzionano così: un fascio di particelle prodotte da un acceleratore è inviato sul materiale da analizzare e l’interazione fra particelle del fascio e atomi del materiale induce l’emissione di raggi X, gamma, o di altre particelle, che hanno energie caratteristiche dei diversi elementi presenti nel “bersaglio”. Appositi rivelatori di radiazione collocati vicini al punto colpito dal fascio “riconoscono” le diverse energie e ci fanno capire perciò, in un’unica misura, tutto quello che compone la zona colpita. In alternativa a un fascio di ioni da un acceleratore, come agente che induce l’emissione di radiazione X caratteristica dal materiale colpito si può usare un fascio di X primari prodotti da un tubo a raggi X (la tecnica si chiama XRF). Il tubo a raggi X è miniaturizzabile; così lo strumento di analisi diventa portatile e dunque utile per tutti quei casi in cui non si vuole, o non si può proprio (pensiamo alle pitture murali!) trasportare un’opera in laboratorio. Per vari aspetti le prestazioni sono minori rispetto all’IBA, ma la portabilità è un gran vantaggio! Sofisticate tecnologie di acquisizione dati permettono inoltre di fornire nelle misure IBA e XRF non solo la composizione di determinati “punti” analizzati, ma di restituire vere e proprie mappe di distribuzione, su aree estese di opere, di tutti gli elementi presenti. Un plus di grande importanza per aumentare la leggibilità e la rappresentatività dei risultati, evitando il rischio di generalizzare arbitrariamente l’interpretazione dei risultati su singoli punti, magari casualmente non rappresentativi.

Per approfondire online

 

Pier Andrea Mandò è ordinario di fisica applicata allíUniversità di Firenze ed è stato direttore della sezione di Firenze dell’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare. Si occupa presso il LABEC di tecniche nucleari per i beni culturali, per le quali ha ricevuto ampi riconoscimenti internazionali.