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Algumas técnicas de caracterização
de materiais aplicadas ao patrimônio
cultural
Curso de Caracterização de Bens Culturais
CABENS
2011
Augusto Camara Neiva
LABENS (Laboratório de Caracterização de Bens Culturais) – Poli - USP
o que poderíamos querer identificar
e quantificar?
o que como
elementos Espectroscopias de raios X
tipo de molécula Espectroscopias moleculares
(IV, Raman, etc)
tipo de cristal Difração
distribuição
espacial
Microscopia, radiografia, etc
Grandes grupos de materiais
• Metais – cristais simples (por exemplo Fe CFC), cristais mais complicados (por exemplo Fe3C)
• Polímeros (plásticos, borracha, madeiras, resinas, tintas ...) – moléculas longas, eventualmente ordenadas (esferulitos)
• Cerâmicas, pedras – cristais de óxidos ou outros compostos, e regiões amorfas (ou seja, não-cristalinas) entre eles
O que interessa? Depende do
caso, mas usualmente...
Composição
elementar
Tipo de
molécula ou
de cristal
Distribuição
espacial
polímeros depende importante
(molécula)
médio
cerâmicas importante importante
(cristal)
médio
metais importante importante
(cristal)
importante
O que interessa? Depende do caso
Composição
elementar
Tipo de
molécula ou
de cristal
Distribuição
espacial
polímeros:identificar
pigmentos
depende
importante
importante
(molécula)
médio
cerâmicas importante importante
(cristal)
médio
metais importante importante
(cristal)
importante
O que interessa? Depende do caso
Composição
elementar
Tipo de
molécula ou
de cristal
Distribuição
espacial
polímeros:identificar
pigmentos
depende
importante
importante
(molécula)
médio
cerâmicas:
origem
importante importante
(cristal)
médio
metais importante importante
(cristal)
importante
O que interessa? Depende do caso
Composição
elementar
Tipo de
molécula ou
de cristal
Distribuição
espacial
polímeros:identificar
pigmentos
depende
importante
importante
(molécula)
médio
cerâmicas: origem
importante importante
(cristal)
médio
metais: origem, técnica
importante importante
(cristal)
importante
Grupos de técnicas
Espectroscopias
Com base em energias características, identificação de elementos (espectroscopias atômicas) ou moléculas (espectro quantificação scopias moleculares).
Difração
Com base em difração de raios X, elétrons ou nêutrons, identificação de estruturas cristalinas.
Imagem
Com base em contrastes baseados em diferentes fenômenos, observação da distribuição espacial dos diversos componentes estruturais e microestruturais. Podemos incluir neste grupo a fotografia, a radiografia, as microscopias, etc.
detectado incidente espectroscopias difração imagem
raios X raios X FRX, EXAFS,
SEXAFS
DRX mapas MEV
radiografia
raios X íons PIXE
raios X elétrons EDXA e WDS (em
MEV, MET), ATEM
rad
iaçõ
es
detectado incidente espectroscopias difração imagem
raios íons PIGE
raios raios Mössbauer
raios X raios X FRX, EXAFS,
SEXAFS
DRX mapas MEV
radiografia
raios X íons PIXE
raios X elétrons EDXA e WDS (em
MEV, MET), ATEM
luz visível
e UV
- espectroscopias de
emissão
luz visível
e UV
LV e UV Raman, PCS,
UVAS, colorimetria
microscopia óptica
e UV, luz rasante,
foto UV
IV IV FTIR, ATR, IRAS foto IV
microondas microondas ressonância de elétrons
rádio rádio ressonância magnética
rad
iaçõ
es
detectado incidente espectroscopias difração imagem
raios íons PIGE
raios raios Mössbauer
raios X raios X FRX, EXAFS,
SEXAFS
DRX mapas MEV
radiografia
raios X íons PIXE
raios X elétrons EDXA e WDS (em
MEV, MET), ATEM
luz visível
e UV
- espectroscopias de
emissão
luz
visível e
UV
LV e UV Raman, PCS,
UVAS, colorimetria
microscopia
óptica e UV, luz
rasante, foto UV
IV IV FTIR, ATR, IRAS foto IV
microondas microondas ressonância de elétrons
rádio rádio ressonância magnética
rad
iaçõ
es
energia
6,3
6,05,95,8
4,3
nível de baixa
energia vazio
com o aumento de sua
energia, o elétron sai do
átomo
e o seu nível original
fica vazio
energia
6,3
6,05,95,8
4,3
nível de baixa
energia vazio
um elétron mais energético desce para
o nível vazio
energia
6,3
6,05,95,8
4,3
a energia perdida é emitida como
radiação, na faixa de energia dos
raios X
energia
6,3
6,05,95,8
4,3
a energia perdida é emitida como
radiação, na faixa de energia dos
raios X
energia
6,3
6,05,95,8
4,3
2,0
energia = 2,0a energia perdida é emitida como
radiação, na faixa de energia dos
raios X
energia
6,3
6,05,95,8
4,3
2,0
1,5 1,6 1,7 0,3 0,4 0,5 2,0
energia0,3 0,4 0,5 1,5 1,6 1,7 2,0
elemento X
co
nta
gens
elemento X
existem várias outras
possibilidades de
transições
para um elemento diferente...
energia
6,3
6,05,95,8
4,3
2,0
1,5 1,6 1,7 0,3 0,4 0,5 2,0
energia0,3 0,4 0,5 1,5 1,6 1,7 2,0
elemento X
co
nta
gens
energia0,4 0,5 0,6 1,6 1,7 1,8 2,1
elemento Y
co
nta
gens
elemento X
elemento diferente:
energias diferentes
para os dois juntos
energia0,3 0,4 0,5 1,5 1,6 1,7 2,0
elemento X
co
nta
gens
energia0,35 0,45 0,55 1,55 1,65 1,75 2,05
elemento Y
co
nta
gens
energia
elementos X e Y
conta
gens
liga com 60%
X e 40% Y
resumindo e ampliando...
energia
0,3 0,4 0,5 1,5 1,6 1,7 2,0
elemento X
conta
gens
raios X raios X
feixe de
elétrons
feixe de
íons
técnicas
feixe
incidente
feixe
detetado
técnica
raios X raios X FRX (espectroscopia de
fluorescência de raios X)
XRF, EDXRF, -EDXRF...
elétrons raios X Microssonda do MEV
(microscópio eletrônico de
varredura) (EDXA, WDS, EDS...)
íons raios X PIXE (particle induced X-ray
emission)
independentemente da forma como
estejam (que formas são essas?).
As três técnicas identificam e quantificam
elementos (o que mais poderíamos
querer identificar e quantificar?)
Antes disso: se o espectro das
três técnicas é igual, então dá
no mesmo?
dá no mesmo?
MEV-EDXA PIXE FRX
Localizada? sim ( 1 m) Pode ser pequena Pode ser pequena
Elementos
leves?
desde C desde Mg (PIXE
externo)
desde Mg (ao ar)
Elementos
pesados?
Usualmente linhas
L e M
Usualmente
linhas L e M
Pode usar linhas K,
dependendo da fonte
Tamanho
máximo da
amostra
Usualmente cerca de
5 a 10 cm (espaço na
câmara de vácuo)
O que couber
na sala (PIXE
externo)
Qualquer um (ao ar)
Portátil? Não Não Sim
Mínimo teor 100 ppm 1 ppm 100 ppm
LAMFI - 1.7MV Pelletron Accelerator
RBS - Station
External beam setup
X-Ray detector - Amptec XR-100CR (sample)
Exit window and thin gold foil
X-Ray detector (beam current)
PIXE
dá no mesmo?
MEV-EDXA PIXE FRX
Localizada? sim ( 1 m) Pode ser pequena Pode ser pequena
Elementos
leves?
desde C desde Mg (PIXE
externo)
desde Mg (ao ar)
Elementos
pesados?
Usualmente linhas
L e M
Usualmente
linhas L e M
Pode usar linhas K,
dependendo da fonte
Tamanho
máximo da
amostra
Usualmente cerca de
5 a 10 cm (espaço na
câmara de vácuo)
O que couber
na sala (PIXE
externo)
Qualquer um (ao ar)
Portátil? Não Não Sim
Mínimo teor 100 ppm 1 ppm 100 ppm
As três técnicas identificam e quantificam
elementos (o que mais poderíamos
querer identificar e quantificar?),
independentemente da forma como
estejam (que formas são essas?).
que formas são estas?
Como a energia dos raios X corresponde a orbitais
de baixa energia (ou seja, os mais internos), que
não participam das ligações químicas, não importa
o que estiver ocorrrendo com os orbitais mais
externos
Ligação iônica
(sais, cerâmicas,
etc)
íon positivo (perdeu
um elétron)
íon negativo (ganhou
um elétron)
metálicacovalente
iônica
em nenhuma destas ligações
os orbitais mais internos foram
afetados
a identificação do elemento por
raios X não é afetada
continuação da tabela
• Nem só de radiações se fazem feixes
• Feixes de partículas (ou conjuntos de
partículas) com massa:
– Elétrons (tubo catódico em TV, microscópios
eletrônicos, etc)
– Íons e prótons (Laboratório de Feixes Iônicos,
no IFUSP)
– Nêutrons (reatores nucleares)
detectado incidente espectroscopias difração imagem
íons (sputtering) íons SIMS
íons(retroespalhados)
íons RBS, ISS, NRA
prótons (retroespalhados)
prótons PBS
nêutrons nêutrons difração de
nêutrons
elétrons Auger elétrons espectroscopia Auger microscopia
Auger
elétrons internos raios X XPS (ESCA)
elétrons
retroespalhadoselétrons MEV (BSI)
elétrons
secundáriosMEV (SEI)
elétrons
difratados
MET, RHEED,
LEED
MET, RIEM
elétrons
transmitidos
EELS, EXELFS
part
ícu
las
PbAl
íons incidentes
(energia = 7,0)
íons retroespalhados
alta energia (p.ex. 6,0)
alta energia, um pouco
diminuída pelos
choques (p.ex. 5,5)
baixa energia (Al), um
pouco diminuída pelos
choques (p.ex. 2,5)
baixa energia (Al), mais
diminuída pelos
choques (p.ex. 2,0)
2,0 2,5 5,5 6,0 energia
conta
gens
a – espessura do Pb
b – distância do Al até
a superfície
c – espessura do Al
c b a
Al Pb
valores tabelados (em
função da energia do
feixe incidente)
Espectro RBS da mancha dourada e sua simulação teórica
feixe de H+, 2,4 MeV (alcance ~20 µm)
Au
Ag
Cu
LAMFI - IFUSP
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