16 de maio de 2017 DISCIPLINA DE PÓS-GRADUAÇÃO INTERUNIDADES EM MUSEOLOGIA

Profa. Dra. Márcia A. Rizzutto

rizzutto@if.usp.br

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