16 de maio de 2017 DISCIPLINA DE PÓS-GRADUAÇÃO INTERUNIDADES EM MUSEOLOGIA
Profa. Dra. Márcia A. Rizzutto
FÍSICA APLICADA AO ESTUDO DE
OBJETOS DO PATRIMÔNIO
CULTURAL: MÉTODOS E TÉCNICAS
AULA 5
https://edisciplinas.usp.br/course/view.php?id=42442
O modelo mecânico extremamente simples do átomo é o modelo de Bohr que foi baseado nos experimentos de espalhamentos de Rutherford. Os elétrons negativos são “ligados” pela atração coulombiana do núcleo positivo, e somente certas orbitas para os elétrons são permitidas: os estados quânticos são caracterizados pelos raios e pela energia do estado e somente uma quantidade limitada de elétrons é permitida em um estado quântico.
excitação de- excitação
Princípios básicos de física atômica
Método de emissão de raios x (Particle Induced X-ray Emission - PIXE)
(X-Ray Fluorescence - XRF)
Raio X
H +
0
K
L
M
Ka Kb
Raio X
fóton
PIXE
XRF
Principais transições de emissão de raios-X 1/2)
Principais linhas de raios-X
0 200 400 600 800 1000
Channel
1
2
3
4
5
6
Yie
ldlo
g(#/
uC/k
eV/m
sr)
0.005 0.010 0.015 0.020 0.025 0.030
Energy (MeV)
coin_1943_1coin_1924_1
Ag-Ka
Cu-Kb
Ag-La,b,g Ag-Kb
Cu-Ka
Pb-L
Pb-L
soma
Co
nta
gen
s
Canais
Análises “in situ” portáteis
XRF,
Detector de raios X Tubo de raios X
Tese de doutorado
Pedro H.V. O Campos
IFUSP - 2015
XRF – FLUORESCENCIA DE RAIOS-X
MAPAS COM XRF
http://infnbeniculturali.net/2015/02/27/dallarte-classica-allimaging-xrf/
MAPAS COM XRF
“La Muta” - Raffaello
http://infnbeniculturali.net/2015/05/21/un-restauro-ai-raggi-x/
LANDIS (Laboratorio di Analisi Non Distruttiva)
http://www.lns.infn.it/
Facilidades para aplicações no campo de bens culturais
Macro e Micro Fluorescência de raios-X com uma câmara com
“Pinhole” abertura com alta energia e resolução espacial
(50 cm × 25 cm × 25 cm) full field X ray pinhole camera (FF-
XPC) presenting high energy- and high spatial-resolution.
FF-XPC consiste de um detetor CCD (charge-coupled device)
convencional acoplado a um colimador de pequeno diâmetro
(Pinhole) em uma geometria
Full spectrum obtained by applying the multi-image acquisition on an
archeological pottery.
LANDIS (Laboratorio di
Analisi Non Distruttiva)
http://www.lns.infn.it/
LANDIS (Laboratorio di Analisi Non Distruttiva)
http://www.lns.infn.it/
macro-FF-XRF de
grandes áreas (4 × 4 cm2)
com resolução espacial
menor que 140 μm;
micro-FF-XRF de area
pequenas (2.5 × 2.5 mm2)
com resolução espacial
menor que 30 μm.
Conclusões sobre XRF
• A técnica de Fluorescência de raios X (FRX ou XRF)
possui um vasto campo de aplicabilidade para estudo de
bens culturais.
• Fornece informações sobre os elementos químicos
presentes nos materiais estudados de um modo não
destrutível.
• É baseada na indução de emissão de raios X dos
elementos químicos presente nos matearias (processo
de excitação destes por raios X)
• Basicamente elementos a partir do Alumínio podem ser
detectados por esta técnica
Excitação com Partículas
...investigar os
materiais.
Fe
Si
B
Ni
Pb
H
Aceleradores Com muita energia
LAMFI – LABORATÓRIO DE ANALISE DE
MATERIAIS POR FEIXES IÔNICOS - IF - USP
1992 LAMFI instalação do acelerador e início do trabalhos de análise de
materiais com feixes iônicos
2000 GFAA – Grupo de Física Aplicada com Aceleradores
2003 Construção do arranjo experimental de feixe externo:
• Materiais Biológicos: dentes, ossos, sedimentos, água de rio, Flúor em água
• Bens Culturais (estatuetas metálicas, pinturas)
LAMFI – Laboratório de Análise de
Materiais por feixe iônicos
LOUVRE-FRANÇA •Acelerador Pelletron, •Linha de feixe externo
Semelhante ao acelerador do Louvre - Paris
Excitação com Partículas
...investigar os
materiais.
Fe
Si
B
Ni
Pb
H
Aceleradores Com muita energia
LAMFI – LABORATÓRIO DE ANALISE DE
MATERIAIS POR FEIXES IÔNICOS
IF - USP
PIXE em vácuo
Câmara RBS
Feixe externo
Acelerador Pelletron 1.7 MV
Fonte de íons RF Alphatross e SNICS LAMFI - USP Laboratório para Análise
de Materiais por Feixes Iônicos
18
feixe
vácuo atm amostra
det janela
25/50 mm Kapton foil
2.4 MeV 0.9/1.5 MeV 1H
Feixe Externo - LAMFI
Arranjo experimental do sistema de
feixe externo (LAMFI).
19
Vantagens de uso do arranjo experimental de
feixe externo:
• Medidas imediatas ---> sem preparação
• Objetos de diferentes tamanhos e forma complexas
• Fácil de manusear e mover os objetos
• Sem problemas de carga em isolantes -> não necessita de resfriamento
• Redução dos efeitos térmicos ---> sem danos (ar)
• Sem problemas de ressecamento da amostra
• Possibilidade de medidas de pequenos pontos = 1 mm
Manfredo Harri Tabacniks
amostra
Interação de feixe de íons com a matéria - MeV
Feixe incidente
( MeV /u.m.a.)
Feixe transmitido
raios g
(PIGE) raios X (PIXE)
luz
núcleos de recuo (ERDA)
íons espalhados
íons retro - espalhados (RBS)
elétrons secundários
elétrons secundários
Método PIXE (Particle Induced X-ray Emission)
Não Destrutivo
Superficial:
25,5 mm em Bronze (prótons c/ 2,4MeV)
100 mm em Celulose (prótons c/ 2MeV)
Alta Sensibilidade: ppm
Rápido: 10-20 min
Identificar e quantificar elementos com Z>10
Alta resolução para elementos vizinhos
Preciso: erro ~ 5%
X ray
H +
0
K
L
M
Ka Kb
NaI ()
GeHP RX1
RX2 laser
RBS
RBS
RX1 RX2
laser laser
cam
câmara multiuso
RBS + PIXE
janela Al 8 m
amostra
Ion
“Edans
Masculinos" da
Sociedade Secreta
Ogboni do grupo
étnico Ilobu-
Iorubá, Nigéria,
África,
século XX
Caracterização, com a técnica
PIXE, de produtos de corrosão
presentes em algumas e estatuetas
metálicas da coleção africana do
MAE/USP
Lupa estereoscópica - MAE 23
Conservadora: Silvia Cunha Lima
Si
S
Ar
Ca
Fe
Cu-Ka
Zn
Pb
Cu-Kb
Zn-Kb
“Edan” masculino
Sample Si S Cl K Fe Ni Cu Zn Pb
Estatueta B testa 0.14 4.22 0.27 0.06 0.23 0.09 20.3 2.57 69.5
Estatueta B costa 0.17 2.47 0.57 0.27 0.49 0.18 37.8 3.66 51.7
Estatueta B nádegas 0.11 0.81 0.46 0.32 0.73 0.56 74.8 9.63 11.6
Concentrações calculadas (%) para os elementos visíveis em PIXE feixe
vácuo atm
amostra
det janela
8 mm folha de Kapton
2.4 MeV ~2.2 MeV
1H
Feixe Externo - LAMFI
Arranjo experimental do sistema
de feixe externo (LAMFI).
M.A. RIZZUTTO - 2006
100 200 300 400 500 600 700
Channel
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
Yie
ld(#
/uC
/keV
/msr
)1/2
0.005 0.010 0.015
Energy (MeV)
R017467I(Pendant)
Ar Cu-Ka
Cu-Kb
Au-L
S Au-M
Pingente Antromomorfo,
cultura Tairona, Colômbia
Pré-hispânico
amostra Si S Cl K
Fe
Ni
Cu
Zn
Au
Estatueta C frente 0.06 0.20 0.20 0.04 0.20 39.0 0.33 58.2
Estatueta C parte nebra 0.20 4.17 2.84 0.24 0.11 0.17 40.0 1.61 44.5
Concentrações calculadas (%) para os
elementos visíveis em PIXE
M.A. Rizzutto, M.H. Tabacniks, N. Added, M.D.L. Barbosa, J. F. Curado, W.A. Santos Jr., S. C. Lima, H.G. Melo, A.C. Neiva, “The External Beam Facility
Used to Characterize Corrosion Products in Metallic Statuettes” , Nuclear Instruments & Methods in Physics Research. B240, n.1-2, p. 549-553, 2005.
Obra: Desembarque e Combate
pintura à óleo, 40 x 76 cm,
pintor desconhecido no inicio do século XIX
pertencente ao acervo da Pinacoteca do
Estado de São Paulo
Feixe externo para análise PIXE
• 2.4 MeV feixe interno de próton
•1.9 MeV corrente externa com ~0.5 nA,
Dois detectores de Raios X Ampetc
•220 eV FWHM para medidas de Au – carga
•160 eV FWHM para medidas PIXE
21 pontos
4,3 4,0 33,0
2,1
16,5
13,1 3,1
4,5 4,5
0,4 1,9
166,9
180,8
0
1
10
100
1000
10000
AlSi
P
S
Cl
K
Ca
Ti
CrMnFe
Co
Ni
Cu
Zn
As
Ba
Hg
Pb
vermelho - ponto 11 - 551N
0
Vermelho
de chumbo
(Pb3O4)
2,8 2,8 47,2
2,1
24,1
18,3 0,3
9,1
0,5 0,5
176,9 59,4
0
1
10
100
1000
10000
AlSi
P
S
Cl
K
Ca
Ti
CrMnFe
Co
Ni
Cu
Zn
As
Ba
Hg
Pb
vermelho – ponto 8 - 548N
0
Pb , Hg, S
6,6 7,4 130,4
1,7
6,4
5,5
0,2
1335,8 98,6
0
1
10
100
1000
10000
AlSi
P
S
Cl
K
Ca
Ti
CrMnFe
Co
Ni
Cu
Zn
As
Ba
HgPb
vermelho – ponto 7 - 547N
0 0
Vermilion High Hg, S
12,0
8,6 136,4
2,1
0,4
1,8
8,5
0,1
2,3
0,9
4,3
2,1
1978,7
0
1
10
100
1000
10000
AlSi
P
S
Cl
K
Ca
Ti
CrMnFe
Co
Ni
Cu
Zn
As
Ba
Hg
Pb
branco – ponto 1 - 541N
0
Branco de
chumbo
ANÁLISE DE PIGMENTOS PINTURAS NO LAMFI
P.R. Pascholatti, Pinacoteca, M. Rizzo
Pintura em óleo sobre
madeira
Pintor Brasileiro
Século XX
Óleo sobre tela,
Pintor Italiano
desconhecido começo
do séc. XX
17 x 24cm
Óleo sobre tela, 120 x 130cm
Autor desconhecido
Paleta, e caixa de pintura do
pintor brasileiro Almeida Júnior (1850-1899)
Pinacoteca
30
1 ( R020566H)
Medidas 5-6 mm da borda
3 (558 and 557H)
4 (R029559H)
7 (R020562H)
6 (561 and 560H)
5 (R020563H)
9 (32mm da borda R020567H)
2 (R020565H – sem pigmento)
12 (32mm from the board
R020568H)
11 (R020569H)
10 (R020570H)
8 ( R020564H)
Medidas PIXE em
pareceria com o
Prof. Paulo
Pascholati IF-USP
Sem danos, e.g. nenhuma marca visível depois das análises com o PIXE externo
• Sem pigmento
(área danificada )
• Tons de marrom
• Tons de azul
• Tons de verde
montanha
escuro
claro
montanha
31
Alguns tons de azul
--- azul claro
--- azul escuro
--- azul da montanha
Azul claro:
mais Pb e Zn
Azul escuro:
mais Fe e Ca Azul: Fe e ausência de Cu
não é azurita (2CuCO3·Cu(OH)2) usado até o sec. XIX
Azul da Prussian (Fe4[Fe(CN)6]3) usado depois de 1704
Dados sugerem a idade esperada.
Branco:
Branco Chumbo
Provavelmente:
Carbonato de Pb
2PbCO3.Pb(OH)2
32
2
4
15
16
10
9 8
7
13
14
Tons de amarelo
Tons de vermelho
BaSO4 Barite:
Branco de Pb:
Branco de Zn:
2PbCO3·Pb(OH)2
ZnO
Amarelo de Cr PbCrO4
desde 1818
Vermelho Ocre Fe2O3
Branco de Pb
2PbCO3·Pb(OH)2
Tubo de tinta:
Sn, Zn, Cu
Paleta: artista Almeida Junior
Pinacoteca-SP - Valéria Mendonça
Vermelho com Hg e S
Vermelhão (HgS)
Medidas PIXE em pareceria Prof. Paulo
Pascholati IF-USP
34
Branco de Pb
2PbCO3·Pb(OH)2
Amarelo de Cr: PbCrO4
desde 1818
Amarelo ocre Fe2O3.H2O
Tube:
Sn, Zn, Cu
Valéria Mendonça (Pinacoteca-SP)
35
Gráficos radar obtidos para diferentes cores.
Paulo Pascholati/Guilherme F. Moleio – IC
Gráficos radar obtidos para diferentes pigmentos do artista
Almeida Junior
Paulo Pacholati/Guilherme F. Moleio – IC
100 200 300 400 500
Channel
0
50
100
150
200
250
300
350
Yie
ld(#
/uC
/keV
/msr
)1/2
0.5 1.0 1.5 2.0 2.5
Energy (MeV)
R022199H Moeda brasileira 1924R022193H Moeda brasileira 1871
1871
1924
Cu-Ka
Canais
Cu-Kb
Ni Ar
Ag-L
+Ar C
o
n
t
a
g
e
n
s
PIXE DE MOEDAS BRASILEIRAS
1924
1943
0 200 400 600 800 1000
Channel
1
2
3
4
5
6
Yie
ldlo
g(#/
uC/k
eV/m
sr)
0.005 0.010 0.015 0.020 0.025 0.030
Energy (MeV)
coin_1943_1coin_1924_1
C
o
n
t
a
g
e
n
s
Energia (MeV)
Canais
Ni
Ag -Ka
soma Zn
Ag -L
Cu Cu
Ag –Kb
PIXE DE MOEDAS BRASILEIRAS
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
Ni Cu Zn Ag
%
1830
1857
1871
1894
1896
1899
co
ncen
traçã
o
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
Ni Cu Zn Ag
%
ELEMENTOS
1901
1907
1912
1913
1920
1921
1922
1924
1930
1935
1936
1938
1940
1943
1946
co
ncen
traçã
o
PIXE DE
MOEDAS
Brasileiras
40
Provenance studies using PIXE analysis of trace elements
Research laboratory of the museums of France (LRMF) - Jean-Claude Dran
http://epaper.kek.jp/e02/TALKS/FRYGB001.pdf
41
Provenance of statuette rubies
X-ray energy (keV)
co
un
ts
1
10
100
1000
10000
1e5
0 5 10 15 20 25
high energy X-ray detector spectrum
low energy X-ray detector spectrum
OK
AlK
T iK
VK
CrK
FeK
GaK
Iron(ppm)
Ch
rom
ium
(p
pm
) T TTTT
TT
TT
TT
T
TTT
V
V
VV
V
VV
V
V
VV
KK
KK
KK
MM
MM
MM
MM
MM
MM
MM
MM
M M
MM
BB
B
BB
B
B
B
BBB
B
B
B
B
B
B
B
B
B
B
BB
B
BBB
B
B
B
BB
B
BBB
BB
B
BB
BB
BB
B
BBB B
B
BBB
BBB
BBB BBB
B
BB B B
BB
BB
B
BB
B
B
B
BB
B
B
B
B
B
B B
B
B
B B
BB
B
BB
BB B
BBBB
B
B
BBB
BBBB
B
B
B
B
BBBB BBB
B
B B
BB B
BBB
B
B
B
BBBB B B
BBB
BB
B
BBBBB B
BB
B
B BBB
BB
BBB
B
B
B
BBBBB B
B BB
BBB
B
B
B
BB
B
B
B
B
B
B
A
A
AA
A
A A
A
AA
A
A AAB
BB
T
T
TC CCVV
V
SS
S
MMM
I
I
II
II
I
II
III
BB
BB
B
B
B
B
BB
B
B
B
B
B
B
B
X XX
XB
XX
XX
S
SSSSS
SS
SS
SS
S
S
SS
S
S
SS
SS
SSS
SS
S SS
S
S
S SS
S
S
SS
SS
S
S
S
SS
S
S
S
S
S
SS
S
SSS
S
S
S
S
SS
B
T
10
100
1000
10000
10 100 1000 10000
Statuette of Ishtar
group IBurmaVietnam A
group IIAfghanistanSriLankaVietnam B
group IIIThailandCambodiaKenyaMadagascarIndia
Research laboratory of the museums of France (LRMF) - Jean-Claude Dran
http://epaper.kek.jp/e02/TALKS/FRYGB001.pdf