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La tonaca di San Francesco conservata a Cortona. La datazione, effettuata al Labec di Firenze su alcuni minuscoli frammenti della lana con cui è tessuta, ha confermato che è compatibile col periodo in cui ha vissuto il poverello di Assisi.

Fisica nucleare per l’arte e l’archeologia? E che c’entra? Beh, ci può entrare eccome! Molti neppure lo immaginano, ma le ricadute applicative della fisica nucleare e delle sue tecnologie sulla diagnostica dei beni culturali sono tante e importanti. L’Infn è stato attivo in questo settore fin dalla metà degli anni Ottanta, in particolare nella Sezione di Firenze, e più recentemente con ricerche in altre sedi tra le quali molto importanti quelle nei Laboratori Nazionali del Sud, a Catania. A Firenze vi ha dedicato, addirittura, un intero grande laboratorio: il Labec, dove un acceleratore di particelle è usato per gran parte del tempo disponibile proprio per queste applicazioni.
E guardate che non si tratta di virtuosismi tecnici fini a se stessi. Chi può mettere in dubbio ad esempio che la datazione dei reperti archeologici sia importante per la ricostruzione della storia dell’uomo e dello sviluppo della civiltà?
Ebbene, per le datazioni sono fondamentali principi e tecniche della fisica nucleare. Tutti avranno sentito almeno nominare il metodo del ¹⁴C (carbonio 14) o radiocarbonio: questo metodo è basato proprio sulla “trasmutazione” nucleare, cioè il decadimento radioattivo di questo isotopo. Per capire come funziona, vanno fatte due premesse: la prima è che il ¹⁴C è presente nell’atmosfera in una concentrazione di 10^-12 (uno ogni mille miliardi di atomi di carbonio); la seconda, che il metabolismo degli esseri viventi, animali o vegetali, implica continuo scambio con l’ambiente (respirazione, sintesi clorofilliana, alimentazione), perciò i tessuti dei viventi hanno praticamente la stessa concentrazione di ¹⁴C dell’atmosfera.
Dopo la morte però, nei resti organici gli atomi di ¹⁴C che via via scompaiono per decadimento radioattivo non possono essere più “rimpiazzati” da una riassunzione tramite metabolismi biologici. Così la loro concentrazione diminuisce: e la legge del decadimento radioattivo ci permette di conoscere perfettamente il ritmo di questa progressiva riduzione (nella fattispecie, ogni 5.730 anni la quantità di ¹⁴C si riduce alla metà). Allora, misurando la concentrazione di ¹⁴C rimasta oggi nei resti di un organismo ex-vivente, possiamo ricavare il tempo passato dalla sua morte.
Alla base di questo processo naturalmente è la presenza e la concentrazione costante di ¹⁴C in atmosfera. Sarebbe naturale immaginare che, visto che è radioattivo e quindi via via scompare, dovesse sparire progressivamente anche dall’atmosfera, ma non è così. Come fa allora a non finire mai? La risposta viene da qualcosa che ancora una volta ha molto a che fare con la fisica nucleare. è il “bombardamento” che la Terra subisce da parte dei raggi cosmici, che – con una serie di interazioni successive – ricreano continuamente in atmosfera nuclei di ¹⁴C, con un processo praticamente inverso al decadimento radioattivo.

Riassumendo molto schematicamente: la radiazione cosmica crea in continuazione ¹⁴C in atmosfera, che però essendo radioattivo dopo un certo tempo “scompare”. I due processi si bilanciano producendo una concentrazione costante di ¹⁴C nell’atmosfera (10^-12), e la stessa concentrazione di ¹⁴C la troviamo nei tessuti degli esseri viventi in conseguenza dei metabolismi biologici.
Dopo la morte però i metabolismi cessano e il decadimento radioattivo fa diminuire il ¹⁴C nei resti; misurando quanto ne è rimasto, è possibile determinare il tempo trascorso dalla morte. Sono quindi leggi e processi della fisica nucleare che ci danno la possibilità di datare i materiali di origine organica. Ma non solo: anche i metodi e gli strumenti di misura della concentrazione residua di ¹⁴C nei resti organici sono quelli della fisica nucleare. è una misura tutt’altro che facile, perché richiede grande sensibilità (la concentrazione è bassissima) ma anche gran precisione (per avere la data con piccola incertezza). Oggi, una misura sensibile e precisa si può fare anche su quantità minuscole di materiale: un capello, un semino, una scheggia di legno, un centimetro quadro di stoffa. Grazie a una tecnica nucleare chiamata “spettroscopia di massa con acceleratore”, che usa appunto particolari acceleratori di particelle (i Tandem).
Nella “sorgente” dell’acceleratore, i diversi atomi nel materiale del reperto sono ionizzati e preaccelerati; in uscita dall’acceleratore, gli ioni vengono contati separatamente secondo le loro masse, usando rivelatori di particelle e altri apparati. Solo grazie alle elevate energie finali e ai particolari meccanismi con cui avviene l’accelerazione in queste macchine, si raggiunge la enorme sensibilità necessaria per il conteggio selettivo dei (pochissimi!) isotopi di ¹⁴C, così da misurarne la concentrazione.
E si riescono a misurare concentrazioni di ¹⁴C anche di solo uno ogni milione di miliardi, che è quella rimasta in reperti vecchi di circa 50 mila anni. Sacrificandone solo un milligrammo o giù di lì. Sono tante le risposte che vengono da queste misure, i dubbi che vengono fugati: ogni anno più di 10.000 date sono ottenute grazie al ¹⁴C! Capita che ogni tanto una datazione venga alla ribalta anche sui media, come nel caso della Sindone. Ma la vera importanza del metodo del ¹⁴C sta nella produzione di tanti risultati, oscuri al grande pubblico, ma cruciali per la ricerca degli archeologi, giorno per giorno. Questo è possibile grazie al sapere ereditato dalla fisica nucleare e alle sue tecnologie (acceleratori, rivelatori di particelle). Strumenti inventati per fare misure di fisica nucleare fondamentale, ma utilizzati in questi casi per scopi applicativi.

Biografia
Pier Andrea Mandò è professore di fisica applicata all’Università di Frenze. Si è dedicato in particolare allo sviluppo di tecniche nucleari per lo studio dei beni culturali, creando un gruppo di ricerca che ha portato alla creazione del Labec (Laboratorio per i Beni Culturali dell’Infn).

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