Prof. Marina Brustolon

Introduzione ai metodi spettroscopici per i Beni

Culturali

Scuola di specializzazione in Beni Culturali

2012

Riassunto

• Cos’è uno spettroscopio ?• L’informazione di base per poter

comprendere un esperimento spettroscopico:– La radiazione = onda elettromagnetica e fotoni– La materia = l’energia è quantizzata, il concetto

di quanto– L’interazione tra radiazione e materia

• Vari tipi di spettroscopie • Le particolarità dell’applicazione ai Beni

Culturali

Alcuni concetti importanti sulle radiazioni elettromagnetiche

• Se un raggio contiene una radiazione con una singola lunghezza d’onda, si dice che è monocromatico, se contiene radiazione con più lunghezze d’onda si dice policromatico.

• La luce bianca è policromatica, contiene radiazioni con diverse lunghezze d’onda.

• Un modo per separare le componenti monocromatiche della luce è usare la rifrazione. La rifrazione fa sì che un raggio che passa da un mezzo ad un altro cambi la sua direzione. Le direzioni prese da raggi di diversa lunghezza d’onda sono diverse.

’

Riflessione: angolo di

incidenza e angolo di

riflessione sono eguali

Rifrazione:

21)sin()'sin( nn

indici di rifrazione, che dipendono dalla lunghezza d’onda

21 ,nn2n

1n

Riflessione e rifrazione

La luce bianca come quella emessa dal sole sappiamo che è l’insieme di radiazioni monocromatiche a diversa lunghezza d’onda.Se la facciamo passare attraverso un prisma, dal momento che la rifrazione dipende dalla lunghezza d’onda possiamo separarne le componenti di diversa lunghezza d’onda:

La dispersione

angolo di deviazione, dipende dalla

Dispersione

L’occhio ci dice se una componente della luce bianca è

stata assorbita

• Nella percezione del colore il nostro occhio funziona come uno spettroscopio.

• Il colore di un oggetto illuminato da luce bianca ci dice quali componenti monocromatiche sono state assorbite.

Luce trasmessa

Luce riflessa

In entrambi i casi la luce bianca (policromatica) ha perso delle componenti che sono state assorbite dalla materia, e le componenti residue ci appaiono come colorate.

Due modi di vedere il colore di una sostanza

Una parte della luce bianca viene assorbita, il

raggio che colpisce la retina appare colorato

Una parte della luce bianca viene assorbita dalla superficie, la parte riflessa appare colorata

Lo “spettroscopio umano”• Il nostro spettroscopio incorporato è l’occhio. • Il “colore” di un raggio di luce o di un oggetto ci

dice di quali radiazioni potrebbe essere composto il raggio di luce che colpisce la nostra retina.

• Ma il colore non basta, l’informazione che dà il colore è ambigua (radiazioni policromatiche diverse possono dare la stessa sensazione di colore).

• Se vogliamo avere un’informazione sicura delle radiazioni contenute del nostro raggio di luce, bisogna usare uno spettroscopio (non umano!).

• Così pure se vogliamo sapere quali radiazioni non visibili (infrarosse, ultraviolette) sono state assorbite, l’occhio non ce lo sa dire perché non le vede.

Cosa bisogna sapere per lo studio delle spettroscopie?

• Cos’è la radiazione elettromagnetica

• Quali sono i parametri per distinguere le diverse radiazioni

• Quali sono le proprietà della materia importanti per l’interazione con la radiazione

• Quali sono le leggi che regolano l’interazione tra materia e radiazione.

Qualche altra nozione sulle onde elettromagnetiche

Parametri per caratterizzare un’onda elettromagnetica, oltre alla lunghezza d’onda:

• La frequenza : numero di creste dell’onda per secondo. Si esprime in Hertz (Hz), o multipli.

MHz = megahertz = 1 milione di HzkHz = kilohertz = 1000 Hz

• Il numero d’onda: inverso della lunghezza d’onda. Si esprime in cm-1.

La selezione naturale ci ha dotato di uno spettroscopio incorporato, che è l’occhio, sensibile a una zona molto ristretta dello spettro, quella della radiazione visibile.

Un parametro per caratterizzare le zone spettrali è la frequenza

Un altro parametro per caratterizzare le zone spettrali è la lunghezza d’onda.

Parametri per caratterizzare un’onda elettromagnetica

• La lunghezza d’onda : distanza tra due creste dell’onda, espressa in metri, o sottomultipli del metro:

nm = nanometro = 10-9 mm = micrometro = 10-6 m

• La frequenza : numero di creste dell’onda per secondo. Si esprime in Hertz (Hz), o multipli.

MHz = megahertz = 106 HzkHz = kilohertz = 103 Hz

• Il numero d’onda: inverso della lunghezza d’onda. Si esprime in cm-1.

Onde elettromagnetiche e fotoni

• Abbiamo descritto la luce come un’onda elettromagnetica. Questo modello va bene per spiegare alcuni comportamenti della luce (per esempio la diffrazione).

• La luce (e quindi qualunque radiazione elettromagnetica) trasporta energia e la trasmette alla materia. Per descrivere questa trasmissione dobbiamo introdurre un concetto nuovo, apparentemente in contrasto con la descrizione dell’onda = il concetto di fotone

I fotoni sono pacchetti di energia indivisibili. Lo scambio di energia tra materia e radiazione elettromagnetica può avvenire solo per numeri interi di quanti di energia h.

I fotoni

Nota: h è detta “costante di Planck”

Con che modello rappresentare la luce?

Fino al ‘900 il comportamento della luce era spiegato con l’ottica

classica. Esperimenti dell’inizio del ‘900 hanno

mostrato che l’ottica classica non spiega come la luce trasmette energia alla

materia. Bisogna introdurre una nuova teoria, l’ottica quantistica. Secondo

questa teoria la luce è fatta di particelle di energia che si chiamano FOTONI

Spettroscopie

• Le spettroscopie permettono di studiare scientificamente l’interazione delle radiazioni elettromagnetiche con la materia. La radiazione più studiata per i Beni Culturali è la radiazione nel visibile (la luce). Ma importanti informazioni si possono ottenere anche studiando l’interazione con la materia dei raggi infrarossi e dei raggi ultravioletti.

Radiazione e materiaPer capire come funzionano le spettroscopie dobbiamo aver un modello per il comportamento della radiazione elettromagnetica, e uno per le proprietà dei materiali.

Le proprietà della materia si spiegano basandosi su pochi e semplici risultati della fisica quantistica, tra i quali il fondamentale è:

Gli stati stabili degli atomi e delle molecole hanno energie definite e determinate, dovute sia al moto degli elettroni che al moto dei nuclei.

Con che modello rappresentare la materia?

Fino al ‘900 il comportamento della materia era spiegato con la

meccanica classica.

Esperimenti dell’inizio del ‘900 hanno indotto a formulare una nuova teoria, la meccanica

quantistica.

Onde e particelle

Il risultato sorprendente delle teorie quantistiche è che:

la luce si comporta anche come se fosse composta da “particelle”, i fotoni

le particelle elementari della materia (elettroni, protoni, ecc.) si comportano anche da “onde”

I moti dei corpi di dimensioni ordinarie

La caratteristica del moto dei corpi di dimensioni ordinarie è che possono avere qualsiasi velocità, e quindi qualsiasi energia.

Energia 1

Energia 2

Energia 3

Ma potrebbero esserci energie

intermedie

Ma potrebbero esserci energie

intermedie

Energia della

pallina rotante

Energia 1

Energia 2

Energia 3

Qualunque energia è permessa!

I moti delle particelle come elettroni e nuclei

La caratteristica del moto dei corpi di dimensioni molto piccole è che non possono avere qualsiasi velocità, e quindi qualsiasi energia, ma solo energie quantizzate, che dipendono dal tipo di moto. Per esempio, una molecola che ruota in un gas può avere solo livelli energetici come in figura.

Energia

E1

E2h

Schema generale di un evento spettroscopico

Un sistema si trova in uno stato ad energia E1. Può passare ad un altro stato ad energia E2 assorbendo un fotone con una frequenza e quindi un’energia h eguale alla differenza di energia tra i due stati:E = h

I moti delle particelle e le energie

E1

E2h

Questo è uno schema generale, la distanza in energia tra i due stati è molto diversa a seconda del moto che stiamo considerando.Prima di tutto dobbiamo distinguere tra il moto dei nuclei e quello degli elettroni. Gli elettroni sono molto più veloci dei nuclei, e la loro energia è molto maggiore. Quindi anche la distanza in energia tra due livelli sarà molto più grande.

E = h

I fotoni che fanno avvenire transizioni tra i livelli di energia degli elettroni hanno frequenze cha vanno dalla zona del visibile all’ultravioletto.

Zona interessata agli assorbimenti

elettronici

Moti dei nuclei

Moti di vibrazione

Moti di rotazione

I moti dei nuclei coinvolgono energie minori di quelle del moto degli elettroni:

Zona interessata agli assorbimenti

vibrazionali

Zona interessata agli assorbimenti

rotazionali

I metodi spettroscopici sono metodi di indagine chimico-fisica usati in molte applicazioni. Le spettroscopie possono venir usate a scopo analitico: quali sostanze pure compongono un materiale?

L’uso analitico interessa tutti i campi: chimica, fisica, scienza dei materiali, studi ambientali, astrofisica, e beni culturali.

Le informazioni fornite dai metodi spettroscopici sono però molte altre, di interesse specifico per ogni campo di studio.

I beni culturali sono composti di materiali: quindi scienza dei materiali e studio scientifico dei beni culturali sono campi di attività che hanno in comune molti metodi. Quello che distingue l’applicazione ai beni culturali è lo scopo dell’indagine.

Beni culturali: cosa si vuol capire?

a. Composizione dei materiali

b. Stato di conservazione

c. Provenienza geografica dei materiali

d. Tecniche di produzione

e. Datazione

Informazioni che le spettroscopie possono fornire per i beni culturali:

a. Quantità molto piccola (o nulla) di materiale usato (tecniche microdistruttive o non distruttive)

b. Indagini microscopiche

c. Indagini di superficie

d. Portabilità

e. Metodi statistici per l’uso di database.

Condizioni poste ai metodi di indagine spettroscopica nel campo dei beni culturali: