FISICA PER I BENI CULTURALI
P. SapiaUniversità della Calabria
a.a. 2009/10
VI – Riflettografia IR, spettrofotometria
Collocazione spetrale dei raggi IR
LUCE e COLORE
Riflessione / Diffusione Assorbimento
Trasmissione
Riflettività nel visibile, nell’ IR e nell’ UV.
I raggi IR sono meno assorbiti in un materiale rispetto ai
raggi UV, che vengono assorbiti in genere nei primi
micrometri di superficie. Questa è la ragione per cui la
riflettività o la riflettometria IR rispecchia gli strati più
profondi di un dipinto, in quanto i raggi IR possono
penetrare più in profondità prima di essere riflessi, mentre
la riflettometria UV è rappresentativa dei primissimi strati
superficiali.
Riflettografia in Infrarosso e Ultravioletto.
Il principio su cui si basa la riflettografia IR e UV è facilmente
comprensibile: in molti casi i pigmenti utilizzati in campo pittorico
sono trasparenti alla radiazione infrarossa (IR); illuminando in tal
modo gli strati di colore e registrando con opportuni sistemi di
rivelazione la parte che ne viene riflessa, è possibile ottenere una
nuova immagine dell'opera d'arte che mette in luce particolari
altrimenti celati all'occhio nudo.VISIBILE IR
RIFLETTOGRAFIA INFRAROSSA
Tecnica di indagine ottica utilizzata per analisi di dipinti (su
tavola e su tela), papiri e affreschi, per l’individuazione di:
Restauri (presenza di pigmenti diversi)
Pentimenti (variazioni stilistiche)
Disegno preparatorio
Riutilizzi
Testi non più leggibili (sporco)
RIFLETTOGRAFIA INFRAROSSA
RIFLETTOGRAFIA INFRAROSSA
BRAMANTINO:La Sacra Famiglia.
Pinacoteca di Brera - Milano
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RIFLETTOGRAFIA INFRAROSSA
BRAMANTINO:La Sacra Famiglia.
Pinacoteca di Brera - Milano
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RIFLETTOGRAFIA INFRAROSSA
BELLINI: Madonna col Bambino. Pinacoteca di Brera - Milano
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RIFLETTOGRAFIA INFRAROSSA
BELLINI: Madonna col Bambino. Pinacoteca di Brera - Milano
Riflettografiaeffettuata con il sistema di scansione a singolo fotodiodo (fotosensore InGaAs) realizzato dall’INOA di Firenze
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EVOLUZIONE DELLA TECNICA DI RIPRESA
RAFFAELLO: Sposalizio della Vergine (particolare).
Pinacoteca di Brera - Milano
1970
Pellicola B/N Infrarosso
1982
Vidicon (PbS)
2002Scanner (inGaAs)
CONFRONTO TRA DIVERSI FOTOSENSORI
MARCELLO FOGOLINO: San Francesco Riceve le Stimmate. Pinacoteca Civica di Vicenza
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CONFRONTO TRA DIVERSI FOTOSENSORI
Si
PbS
PbS
VisibileCLICK
ANCORA UN RIFLETTOGRAMMA IR
VIS
IR
UV
VISIBILE vs UV vs IR
VIS
IR
UV
VISIBILE vs UV vs IR
VIS
IR
UV
VISIBILE vs UV vs IR
Schema di SPETTROMETRIA IN TRASMISSIONE
Schema di SPETTROFOTOMETRIA IN RIFLESSIONE
SCANNER SPETTRALE
Lo 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
• 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.
• Le fibre ottiche sono filamenti di materiali vetrosi o polimerici, realizzati in modo dapoter condurre la luce. Sono normalmente disponibili sotto forma di cavi.
• Sono flessibili, immuni ai disturbi elettrici ed alle condizioni atmosferiche piùestreme, e poco sensibili a variazioni di temperatura. Hanno le dimensioni di uncapello e pesano molto poco, una singola fibra pesa infatti circa 20 kg/km compresala guaina che la ricopre.
• All'esterno della fibra vi è una guainaprotettiva polimerica detta jacket cheserve a dare resistenza agli stress fisici ealla corrosione ed evitare il contatto frala fibra e l'ambiente esterno.
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Spettrofotometro UV-visibile-NIR didimensione estremamente ridotteRange spettrale: 200-1100 nmIl segnale di emissione dalla lampada equello riflesso dal campione sonotrasportati da una fibra ottica
Spettrofotometro portatile a fibra ottica
Escludendo un limitato numero di eccezioni, gli oggetti di indagine nelcampo beni culturali sono opachi
Spettroscopia di riflettanzaRegistra lo spettro della radiazione diffusa dalla superficie del campione,inclusa o esclusa la componente riflessa
I0 Ir
• Riconoscimento di pigmenti (effetto della vernice e dellagranulometria) inorganici ed organici (Riconoscimento dileganti)
• Riconoscimento di prodotti di degrado su materiali lapidei(tipicamente solfati, ossalati e nitrati)
• Riconoscimento di agenti coloranti nei vetri
• Misura del colore
Applicazioni della spettrometria UV-Vis-NIR
Optics Fibre Reflectance Spectroscopy
In questa tecnica la radiazione di
riflettanza del campione è raccolta
mediante una sonda con fibra ottica.
La sonda può contenere sia la fibra
di raccolta della radiazione, sia la
fibra che porta la radiazione
primaria
Nella sonda con geometria 3x45°/0° le due fibre esterne portano
l’illuminazione sul campione, mentre la fibra intermedia, posta a 45°
rispetto alle sorgenti, raccoglie la luce di riflettanza diffusa evitando la
riflettanza speculare
Per effettuare misure in riflettanza è necessario in primo luogo
registrare uno spettro del bianco, ovvero di una sostanza la cui
superficie sia (idealmente) totalmente riflettente, quindi fornisca
come risposta esclusivamente lo spettro di emissione della
sorgente, senza modifiche dovute alle molecole della sostanza
irraggiata
Una sostanza che ha queste caratteristiche è il solfato di bario,
BaSO4, che costituisce uno standard di riferimento molto
utilizzato in riflettanza UV-visibile, in quanto ha una riflettanza
vicina al 100% nel range visibile. Altri standard impiegati
comunemente sono costituiti da materiali polimerici di aspetto,
ovviamente, bianco
Esecuzione di misure UV-visibili in riflettanza
Spettrofotometria infrarossaLa spettrofotometria infrarossa (IR) è una tecnica molto nota in campo
chimico e ha notevoli applicazioni anche nel campo dei beni culturali.
Si tratta di una tecnica di analisi molecolare nella quale sono misurate
transizioni tra livelli energetici vibrazionali, che richiedono energia
corrispondente a radiazioni nella regione infrarossa dello spettro
elettromagnetico, cioè tra 1 e 500 µm
Con questa tecnica è possibile avere informazioni sui gruppi funzionali
presenti nelle molecole che formano il campione e quindi,
indirettamente, sulle molecole stesse. Le informazioni sono
prevalentemente di tipo qualitativo; l’aspetto quantitativo è
scarsamente sfruttato
Frequenza (ν in Hz, sec-1)
Lunghezza d'onda (λ in nm o in µm)
Numero d'onda: ( = 1/λ in cm-1)
Frequenza = Numero d’onda x c (velocità della luce)
Campo spettrale della radiazione IR:
0.7 - 500 µm (14000 - 20 cm-1)
0.7 - 2.5 µm (14000 - 4000 cm-1): vicino IR (NIR)
⇒ 2.5 - 20 µm (4000 - 500 cm-1): medio IR (MIR)
20 - 500 µm (500 - 20 cm-1): lontano IR (FIR)
L’energia in gioco
v
Infrarosso ⇒ vibrazione delle molecole
L’energia delle radiazioni infrarosse è sufficiente perattivare anche transizioni energetiche rotazionali
• stretching: modificano le lunghezze dei legami. Distinti in:
– simmetrico
– asimmetrico
• bending: modificano gli angoli tra gli atomi. Distinti in:
– rocking
– scissoring
– wagging
– twisting
Moti vibrazionali delle molecole
IR: modi di vibrazione
Energia delle transizioniOgni transizione vibrazionale, come quelle elettroniche e rotazionali, ha unaspecifica energia che dà luogo ad un assorbimento della regione infrarossa inuna specifica regione
Ogni gruppo funzionale può avere più modi vibrazionali che corrispondono adenergie diverse; allo stesso tempo gli assorbimenti dei differenti gruppifunzionali corrispondono ad energie simili anche se presenti in molecolediverse
Va considerato che, nonostante i modi di vibrazione di una molecola possanoessere diversi, le regole della meccanica quantistica ci dicono chel’assorbimento di energia, e quindi la transizione tra due stati energeticivibrazionali, avviene solo se la vibrazione implica un cambiamento nelmomento dipolare della molecola. Nel gergo della meccanica quantistica ciòequivale ad indicare un modo di vibrazione attivo o permesso
L’anidride carbonica
L’anidride carbonica, CO2, può avere i modi di vibrazione illustratinella figura, con l’atomo di carbonio al centro. Questi moti sonoresponsabili dell’effetto serra che la CO2 esercita in atmosfera,assorbendo energia termica dalla terra. La vibrazione A,stretching simmetrico (~40 trilioni di vibrazioni/sec), non è attivain quanto non cambia il momento dipolare; le altre vibrazioni sonoinvece attive
I segnali dello spettro di assorbimento IR della CO2 corrispondono ai modi divibrazione permessi: quelli di bending, entrambi attorno a 666 cm-1, e quellodi stretching asimmetrico a 2350 cm-1
Spettro IR della CO2
2350 cm-1
(stretching asimmetrico)
666 cm-1
(bending)
1340 cm-1
(stretching simmetrico)
Lo stretchingsimmetrico del gruppoC=O, che dovrebbeessere a 1340 cm-1,nella CO2 non è attivoperchè in questamolecola non cambiail momento dipolare