Fisica e Arte

Di Micaela Bonito.

Che rapporto c'è tra la Fisica, l'arte e i beni culturali? Il questo articolo i segreti di questo connubio

Percorso di approfondimento:
“Fisica e l’arte: “Cosa c’entra la fisica con un quadro o con una statua?”

Ambito: Fisica e storia dell’arte

Materie coinvolte:

Link utili per approfondire:
http://www.beniculturali.it/
http://www.brera.unimi.it/istituto/archeo/riflettografia.html
http://www.beniculturali.it/

Punto di partenza dell’approfondimento:
Quale è il collegamento esistente fra le nuove tecniche di analisi della realtà sviluppate dalla fisica e i “Beni Culturali”?

Collegamenti multidisciplinari suggeriti:
- Storia dell’arte: le tecniche di pittura su tela e su muro, il disegno preparatorio.
- Chimica: la composizione chimica della materia e le possibili interazioni chimiche che danneggiano un opera d’arte.

La fisica ed i “beni culturali”:
Nel corso del 1900, lo sviluppo della fisica ha comportato la nascita di numerosissime tecniche di indagine della realtà.
All’inizio queste tecniche si svilupparono per le necessità di conoscenza e dell’analisi della struttura microscopica della materiale.
In particolare, discipline come la “fisica delle particelle” e la “struttura della materia” hanno permesso di ottenere, dal dopoguerra ad oggi, enormi passi in avanti alla scienza per quanto riguarda la conoscenza della realtà, la scoperta di nuove particelle e della struttura atomica e molecolare.
Per realizzare queste scoperte sono stati costruiti una serie di apparati sperimentali che hanno portato, coerentemente con le basi del metodo scientifico, a suffragare o falsificare le ipotesi e teorie che nel corso del tempo di presentavano.
Questi apparati sperimentali, con il tempo, sono entrati a far parte della ricerca, non esclusivamente di una disciplina come la fisica, e si sono diffusi in molti laboratori.
A seguito di questa diffusione sono aumentati anche gli ambiti di utilizzo di queste apparecchiature.
Negli ultimi tempi, proprio questi strumenti si sono rivelati utili nel campo della conservazione dei beni culturali.
Lo scopo delle analisi scientifiche, in generale, nel campo dei “Beni Culturali” non è diretto solo alla tutela, alla conservazione, al restauro, che ovviamente sono di prioritaria importanza, ma esse assolvono anche allo scopo di fornire gli elementi di caratterizzazione di materiali che integrano i dati dell’analisi storico-stilistica e che possono prescindere del tutto da scopi di conservazione e di restauro.

Cosa sono i “Beni culturali”
Il termine “beni culturali” nasce in contrapposizione ai beni naturali: questi ultimi ci sono offerti dalla natura, mentre i primi sono il prodotto della cultura dell'essere umano.
Un bene culturale si definisce materiale quando è fisicamente tangibile, come un'opera architettonica, un dipinto, una scultura.
Si definisce invece immateriale quando non è fisicamente tangibile, come una lingua o dialetto, una manifestazione del folklore o persino una ricetta di cucina.
Al di là della generica definizione, i beni culturali hanno trovato, nel tempo, più precise classificazioni, in specie da parte del diritto internazionale pubblico.
Si identificano i seguenti beni culturali materiali:
- i beni, mobili o immobili, di grande importanza per il patrimonio culturale dei popoli, come i monumenti architettonici, di arte o di storia, religiosi o laici; i siti archeologici; i complessi di costruzioni che, nel loro insieme, offrono un interesse storico o artistico; le opere d'arte; i manoscritti, libri e altri oggetti d'interesse artistico, storico o archeologico; nonché le collezioni scientifiche e le collezioni importanti di libri o di archivi o di riproduzioni dei beni sopra definiti;
- gli edifici la cui destinazione principale ed effettiva è di conservare o di esporre i beni culturali mobili definiti al comma precedente, quali i musei, le grandi biblioteche, i depositi di archivi, come pure i rifugi destinati a ricoverare, in caso di conflitto armato.
-i centri comprendenti un numero considerevole di beni culturali, definiti ai commi precedenti, detti centri monumentali.
Vengono identificati, inoltre, seguenti beni culturali immateriali:
- gli esercizi, le rappresentazioni, le espressioni, le conoscenze, le abilità – così come gli strumenti, gli oggetti, gli artefatti e gli spazi culturali ad essi associati – che comunità, gruppi e, in certi casi, individui riconoscono come parte del loro patrimonio culturale. Questo patrimonio culturale, trasmesso di generazione in generazione, è costantemente rigenerato da comunità e gruppi in risposta al loro ambiente, alla loro interazione con la natura e la loro storia, e procura loro un senso di identità e continuità, promuovendo così rispetto per la diversità culturale e la creatività umana.

- Alcune delle principali tecniche fisiche:
La maggior parte delle tecniche analitiche utilizzate nei “Beni Culturali” rientra nel gruppo di quelle definite spettroscopiche, basate cioè sull’interazione tra la materia e le radiazioni elettromagnetiche. L’intensità e il tipo di questa interazione possono essere sfruttati a scopo qualitativo per identificare elementi o composti chimici e a scopo quantitativo per determinarne la concentrazione nei dei campioni analizzati.
Di particolare rilevanza è il fatto che la maggior parte delle tecniche sono di analisi tipo non distruttivo.Essendo il campione preso in esame una opera d’arte, spesso di inestimabile valore, ogni tipo di “distruzione” di una sua parte è considerata da evitare il più possibile.
La radiazione elettromagnetica, ovvero la luce, ha una doppia natura:
- ondulatoria, in quanto si propaga sotto forma di onda, caratterizzata da una frequenza n uguale al numero di cicli per unità di tempo, e da una lunghezza d’onda l uguale alla distanza tra due cicli; l’energia di un’onda luminosa è proporzionale a n o inversamente proporzionale a l
- corpuscolare, in quanto composta da pacchetti di energia, i fotoni, che trasportano l’energia luminosa la quale, secondo l’equazione di Planck, è E = hn dove h è la costante di Planck
La luce visibile non è che un ristretto intervallo della radiazione elettromagnetica: è infatti la parte alla quale è sensibile l’occhio umano; tuttavia, la luce ha un range che si estende dai raggi gamma (aventi l inferiore a 0.1 Å ed energia elevatissima) alle radiofrequenze (aventi l nell’intervallo 100-103 cm) passando per i raggi X (l = 10-9-10-6 cm), l’ultravioletto (l = 10-6-10-4 cm), il visibile (l = 400-800 nm), l’infrarosso (l = 10-4-10-1 cm) e le microonde (l = 10-1-101 cm).
L’insieme delle radiazioni luminose si definisce spettro elettromagnetico.
Le tecniche spettroscopiche si differenziano in base all’energia della radiazione luminosa utilizzata e in base al meccanismo che si sfrutta analiticamente. Irraggiando la materia con la radiazione luminosa si creano effetti diversi a seconda dell’energia utilizzata: si va da reazioni che interessano il nucleo (raggi gamma, raggi X) a reazioni che interessano gli elettroni esterni (UV, visibile) fino a effetti che interessano la vibrazione delle molecole (infrarosso, microonde, onde radio).
A seconda del range spettrale impiegato si hanno quindi le seguenti tecniche:
- spettroscopia a raggi X
- spettroscopia UV-visibile
- spettroscopia infrarossa e Raman

A seconda del meccanismo sfruttato si ha invece la seguente suddivisione:
- metodi in assorbimento, nei quali si misura la quantità e il tipo di luce assorbita dal campione irraggiato con una sorgente luminosa a l definita o con un intervallo di l
- metodi in emissione, nei quali invece si misura la quantità e il tipo di luce emessa dal campione quando ad esso viene somministrata energia sotto forma di calore
- metodi in fluorescenza, nei quali il campione viene irraggiato con luce a l1 definita e si misura la quantità di luce emessa a l2, con l2 > l1 in quanto si ha una perdita di energia per fenomeni vari.
Dalla combinazione di queste due classificazioni si hanno numerose tecniche delle quali verranno descritte quelle più utilizzate nell’analisi di campioni di interesse artistico-archeologico. In base al tipo di materiale da analizzare, le tecniche più idonee sono le seguenti:
- Spettroscopia atomica: ideale per studiare ceramica, vetro, metalli, materiali lapidei
- Spettroscopia molecolare: ideale per studiare pigmenti, materiale organico e cristalli
- Riflettografia infrarossa
- Raman
- Diffrazione (XRD)
- Spettroscopia X : ideale per studiare pigmenti, ceramica, vetro, metalli,
- Tecniche di Ion Beam Analysis: ideale per analisi di composizione chimica

Questo elenco mostra quante sono le applicazioni fisiche nell’ambito dei beni culturali.

Fra questo elenco verranno qui spiegate le principali:

- Riflettografia infrarossa
La riflettografia infrarossa è una metodologia di indagine ottica che si applica in genere ai dipinti, ai manoscritti e ai disegni. Essa è inquadrabile fra le tecniche di analisi di immagini come l’analisi fotografica nelle diverse versioni (macrofotografia, riprese in luce radente, IR, UV, falso colore, etc.), la radiografia, la spettroscopia per immagini.
La riflettografia in infrarosso può essere considerata la naturale evoluzione della fotografia infrarossa, eseguita tradizionalmente con pellicole bianco/nero sensibili fino a circa 800 nm. L’impiego delle moderne telecamere - è più recentemente di particolari fotocamere (a stato solido) - permette di ottenere riprese fino a lunghezze d’onda nella zona dell’infrarosso vicino (NIR: 800-2000 nm) e perciò l’indagine riflettografica è particolarmente adatta a rendere visibile il disegno, denominato disegno preparatorio, tracciato dall'autore sulla preparazione presente sotto lo strato pittorico.
La possibilità di osservare il disegno preparatorio ha un evidente interesse per i critici dell’arte perché permette di confrontare l’idea iniziale dell’autore con la realizzazione ultimata. E’ quindi possibile osservare le diverse modalità di lavoro dei pittori e tutti i casi in cui, per ragioni diverse, l’autore del quadro apportava delle modifiche al disegno originale.
Infatti, per valori più elevati di lunghezza d’onda gli strati di pittura hanno in generale una trasparenza molto maggiore che nella zona più ristretta dello spettro infrarosso alla quale è limitata la sensibilità della pellicola infrarosso tradizionale. L'esame del disegno soggiacente nella maggior parte dei casi è di grande interesse per lo storico dell’arte perché rivela in modo diretto la mano dell’autore e ciò può essere di grande aiuto per esempio nei casi di dubbia attribuzione.
Il disegno è a volte costituito da poche tracce essenziali, in altri casi invece è eseguito con grande dettaglio e precisione fino al tratteggio delle ombre, rappresentando così una vera e propria opera d’arte, testimonianza fedele del processo creativo destinata a rimanere nascosta, ma per nostra fortuna resa visibile da questa tecnica.
L'analisi riflettografica inoltre è in grado di mostrare variazioni in corso d'opera (i cosiddetti pentimenti), l'estensione di interventi di restauro e

ridipinture effettuati con pigmenti moderni e, in generale, lo stato di conservazione della superficie dell'opera.
La riflettografia infrarossa è soprattutto impiegata per i dipinti su tavola o tela, raramente per le pitture murali. Nel caso degli affreschi, infatti, non essendo trasparente all'infrarosso lo strato di intonachino, il suo uso è limitato all’esame di zone di ripresa a secco.

(Riflettografia di una tela di Giovanni Bellini, Madonna col Bambino, Pinacoteca di Brera.)

Spettroscopia XRF
La Fluorescenza a raggi X è probabilmente la tecnica di analisi elementare più utilizzata nel campo dei beni culturali. In questa tecnica, il campione è colpito con un fascio di raggi X che causa l’espulsione di elettroni interni per effetto fotoelettrico le vacanze che si generano sono colmate mediante transizioni di elettroni esterni con emissione di raggi X specifici per ogni elemento. Siccome per vari motivi l'energia delle radiazioni emesse è minore di quella incidente, si parla di fluorescenza X o XRF (X-Ray Fluorescence). L'energia delle radiazioni emesse permette di riconoscere qualitativamente gli elementi presenti nel campione nel punto irraggiato, mentre l'intensità delle radiazioni è correlabile alla concentrazione degli elementi. La zona irraggiata può essere di 3-100 mm2 o minore nel caso di strumenti dotati di microscopio.
Una limitazione di questa tecnica è che essa, per motivi strumentali, non è in grado di determinare elementi a basso peso atomico, in particolare dal magnesio all’idrogeno, se non con accorgimenti particolari (presenza di elio); è quindi poco adatta per il riconoscimento di molecole organiche.
L’analisi XRF può essere effettuata in diverse configurazioni, a seconda del tipo di strumento impiegato e della geometria d’analisi.
Esistono, ormai, strumentazioni portatili che analizzano la superficie del campione, fino ad una profondità variabile a seconda della composizione del campione stesso; gli strumenti più recenti sono dotati di microscopio e possono quindi analizzare spot micrometrici
Con lo sviluppo della tecnologia, diventano disponibili strumenti portatili di dimensioni veramente ridotte, idonei per l’analisi in situ (ovvero nel luogo dove è presente l’opera) non distruttiva.

Interazione radiazione materia:
In termini di ionizzazione, la radiazione, se in possesso di sufficiente energia, interagisce con la materia in tre modi principali: l'effetto fotoelettrico, lo scattering Compton e la produzione di coppie elettrone-positrone.
- Effetto fotoelettrico: occorre quando un fotone gamma interagisce con un elettrone orbitante attorno ad un atomo e gli trasferisce tutta la sua energia, col risultato di espellere l'elettrone dall'atomo. L'energia cinetica del "fotoelettrone" risultante è uguale all'energia del fotone gamma incidente meno l'energia di legame dell'elettrone.
- Scattering Compton: un fotone gamma incidente espelle un elettrone da un atomo, in modo simile al caso precedente, ma l'energia addizionale del fotone è convertita in un nuovo fotone gamma, meno energetico, con una direzione diversa dal fotone originale. La probabilità dello scattering Compton diminuisce con l'aumentare dell'energia del fotone. Si pensa che questo sia il meccanismo principale per l'assorbimento dei raggi gamma nell'intervallo di energie "medie", tra 100 keV e 10 MeV (milioni di elettronvolt), dove vanno a cascare la maggior parte della radiazione gamma prodotta da un'esplosione nucleare. Il meccanismo è relativamente indipendente dal numero atomico del materiale assorbente.

Cosa sono i Raggi X:
Raggi gamma, raggi X, luce visibile e radiazione ultravioletta sono tutte forme di radiazione elettromagnetica. L'unica differenza è la frequenza e quindi l'energia dei fotoni. I raggi gamma sono i più energetici.
Viene chiamata con il nome di “raggi X” quella porzione dello spettro elettromagnetico con una lunghezza d'onda compresa approssimativamente tra 10 nanometri (nm) e 1/1000 di nanometro.
Raggi X con una lunghezza d'onda superiore a 0,1 nm sono chiamati raggi X molli. A lunghezze minori, sono chiamati raggi X duri. I raggi X duri si sovrappongono con i raggi gamma meno energetici, ma vengono distinti da essi a seconda della loro origine: i fotoni X sono prodotti da elettroni energetici, mentre quelli gamma da transizioni all'interno di un nucleo atomico.
I raggi X sono usati principalmente per fini medici (attraverso le radiografie), nell'analisi chimica con la spettrofotometria XRF e nell'analisi della struttura dei materiali.

- Tecniche di Ion Beam Analysis

Un ulteriore metodo di analisi fisica non distruttivo nasce nell’ambito della fisica atomica e nucleare(ion beam analysis).
Queste tecniche di Ion Beam Analysis consistono in un insieme di metodologie della fisica nucleare, basate sull’uso di piccoli acceleratori di particelle (strumenti che accellerano attraverso campi elettromagnetici le particelle cariche) estremamente efficaci per determinare la composizione chimica di un qualsiasi campione

(un esempio di apparecchiatura per la Ion Beam Analysis)