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Diagnostica Fisica con laboratorio

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Diagnostic physics with laboratory

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Anno accademico 2015/2016

Codice dell'attività didattica
MFN1254
Docenti
Prof. Alessandro Lo Giudice (Titolare del corso)
Dott. Roberto Covarelli (Titolare del corso)
Corso di studi
Scienza e Tecnologia dei Materiali- Indirizzo Beni Culturali
Anno
3° anno
Periodo didattico
Annuale
Tipologia
Affine o integrativo
Crediti/Valenza
6
SSD dell'attività didattica
FIS/07 - fisica applicata (a beni culturali, ambientali, biologia e medicina)
Modalità di erogazione
Tradizionale
Lingua di insegnamento
Italiano
Modalità di frequenza
Facoltativa
Tipologia d'esame
Orale
Prerequisiti
Fisica Generale 1 con laboratorio
Fisica Generale 2 con laboratorio
Chimica Fisica 2
Metodologie di caratterizzazione dei materiali con laboratorio
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Sommario del corso

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Obiettivi formativi

L'insegnamento di carattere teorico-pratico si propone di fornire agli studenti le basi per comprendere i fenomeni fisici e le strumentazioni che stanno alla base di alcune tecniche per la diagnostica di beni culturali e per la loro datazione.

L'insegnamento offre altresì agli studenti la possibilità di effettuare misurazioni con strumentazione avanzata utilizzando tecniche introdotte nelle lezioni frontali e di analizzare i dati sperimentali con strumenti informatici dedicati.

The teaching is aimed to introduce the basic concepts of physical phenomena, in order to provide the fundamentals to understand some important methodologies and the relevant instrumentation for the physical characterization and dating of cultural heritage.

The teaching gives the students the opportunity to use advanced instrumentation for X-ray radiography and dating, whose methodologies are introduced in preliminary lectures, and to analyze experimental data with suitable informatics tools.

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Risultati dell'apprendimento attesi

Conoscenza e capacità di comprensione:
-Conoscenza adeguata dei fenomeni di interazione di elettroni, protoni e raggi x con la materia e dei fenomeni di radioattività naturale.
- comprensione delle modalità di funzionamento di strumentazione di laboratorio e delle relative tecniche sperimentali che fanno uso di fasci di elettroni, protoni e raggi x per la caratterizzazione di materiali di interesse storico/artistico/archeologico;
- comprensione delle modalità di funzionamento di strumentazione di laboratorio e delle relative tecniche sperimentali per la datazione di oggetti archeologici;

Capacità di applicare conoscenza e comprensione:
- capacità di valutare il volume di analisi in funzione del tipo di sonda utilizzata;
- capacità di effettuare misure di laboratorio con l'utilizzo di strumentazione moderna seguendo un adeguato protocollo sperimentale;
- capacità di caratterizzare un apparato per le radiografie e di effettuare radiografie digitali;
- capacità di interpretare i dati sperimentali attraverso una corretta trattazione;
- capacità di redigere un resoconto scientifico in modo chiaro utilizzando una notazione scientifica corretta.

 

 Knowledge and understanding:
- knowledge of the basic concepts regarding electron, proton and X-ray interaction with matter, and phenomena of natural decay;
- understanding of the functionalities of laboratory equipment and of
relevant experimental techniques that make use of electron, proton or X-ray beams for the characterization of materials of cultural heritage interest;
- understanding of the functionalities of laboratory equipment and of
relevant experimental techniques for the dating of archaeological findings.


Applying knowledge and understanding:
- ability to understand the volume of analysis depending on the type of probe used
- ability to take experimental measurements, using modern instrumentation and adopting a suitable experimental protocol;
- ability to interpret the experimental data using a correct analysis;
- ability to write a clear scientific report, using correct scientific
terminology

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Modalità di insegnamento

 

Tipologia Insegnamento 

L'insegnamento è di 6 CFU, di cui 5 CFU (corrispondenti a 40 h) di lezioni frontali e 1 CFU (corrispondenti a 16 h per studente) di attività in laboratorio; queste ultime si svolgeranno al termine delle lezioni frontali.

Frequenza

La frequenza alle lezioni non è obbligatoria. La frequenza ai corsi di laboratorio è obbligatoria e non può essere inferiore al 70% delle ore previste.

Argomenti trattati nelle lezioni frontali:

Interazione di particelle cariche con la materia

  • Sezione d'urto
  • Perdita di energia per ionizzazione ed equazione di Bethe-Block.
  • Interazione di fasci di protoni e ioni elio: picco di Bragg, range, straggling, uso del programma SRIM
  • Interazione di fasci di elettroni: perdita di energia per irraggiamento, range, uso del programma CASINO
  • Confronto tra fasci di elettroni e ioni
  • Fluorescenza secondaria ed effetto Auger

Interazione di raggi x con la materia

  • Interazione a livello atomico: effetto fotoelettrico, effetto Compton, effetto Rayleigh e creazione di coppie
  • Legge di Lamber-Beer, coefficiente di attenuazione lineare e massico
  • Coefficiente di attenuazione in composti e in materiali di interesse storico-artistico

Decadimenti nucleari

  • Isotopi e definizione di unità di massa
  • Legge del decadimento radioattivo, tempo di dimezzamento e tempo di vita medio
  • Decadimento alfa ,spettroscopia alfa, esempi
  • Decadimento beta: beta-, beta+, cattura elettronica, esempi
  • Decadimento gamma, conversione interna, esempi
  • Interazione di particelle alfa, beta e gamma con la materia
  • Definizione di dose di radioattività, radioattività ambientale

Strumentazioni che fanno uso di fasci di particelle cariche o raggi x

  • Fasci di elettroni: microscopio elettronico con microsonda, catodoluminescenza, applicazione nei beni culturali
  • Fasci di protoni: tecniche PIXE, PIGE, RBS, applicazione nei beni culturali
  • Fasci di raggi x: radiografie, tomografie, XRF, applicazione nei beni culturali
  • Datazioni: radiocarbonio, termoluminescenza, applicazione nei beni culturali

Attività in laboratorio.
Le attività in laboratorio sono organizzate in 4 sessioni da 4 ore. Gli studenti iscritti all'insegnamento si distribuiranno in gruppo di 3 (max 4) membri.Ogni gruppo eseguirà le esperienze qui elencate:

  • Caratterizzazione di un apparato per radiografie digitali, radiografie digitali di oggetti didattici e opere d'arte.
  • Misura dimostrativa di termoluminescenza per la datazione di ceramiche

 

The course is structured in lectures (40 h) and laboratory activities (16
h/student).

The participation to the frontal lectures is not compulsory.
The participation to the ithe laboratory is  mandatory for at least 70% of the time devoted to laboratory activities

 

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Modalità di verifica dell'apprendimento

La verifica dell’apprendimento si articolerà in due valutazioni:

Valutazione delle attività di laboratorio

tale valutazione è volta a verificare la capacità dello studente  ad utilizzare con procedure appropriate la strumentazione di laboratorio per la caratterizzazione di materiali di interesse storico-artistico e la loro datazione. Lo strumento di verifica è un rapporto tecnico delle attività svolte in laboratorio, redatto da ogni gruppo di lavoro. La relazione dovrà essere consegnata (in formato elettronico) entro tre settimane dal termine delle attività di laboratorio. Eventuali ritardi saranno penalizzati in sede di valutazione. Entro una settimana dalla consegna delle relazioni i gruppi di lavoro verranno invitati a discutere le relazioni. La discussione verterà sull’analisi della relazione, in termini di uso corretto della notazione scientifica, uso corretto del protocollo di misura, adeguata analisi dei dati. E’ richiesta la presenza  di almeno un rappresentante per gruppo. La valutazione finale sarà comune a tutti i membri del gruppo. La valutazione ha una validità di 24 mesi.

 Valutazione della prova orale

tale valutazione è volta a verificare la conoscenza dei fenomeni di interazione della radiazione con la materia, dei fenomeni di decadimento nucleare, delle tecniche di analisi per la caratterizzazione e datazione di materiali nei beni culturali ed a verificare la capacità di esporre le tecniche sperimentali ed i modelli interpretativi delle attività svolte in laboratorio. Per accedere alla prova orale e' necessario aver ottenuto una valutazione di almeno 18/30 delle attività di laboratorio. La prova orale consisterà in una domanda relativa alle esperienze in laboratorio e in almeno tre domande sugli argomenti trattati a lezione.

Il voto finale sarà la media delle valutazioni (espresse in trentesimi) riportate nelle due prove.

 Il calendario delle sessioni d’esame è riportato nella piattaforma ESSE3. Sessioni straordinarie possono essere richieste solo da studenti in prossimità di discutere la tesi e aventi questo come ultimo esame.

 The exam is structured in two parts:

Laboratory reports:

This exam is aimed to verify the student abilities to properly use the instrumentation and data analysis techniques for the material characterization and dating in cultural heritage. The laboratory groups will have to present their group-based laboratory reports to the teacher within three week from the conclusion of the laboratory sessions. Any delay will be penalized in the assessment. Within one week from the report delivery, the groups will be invited to discuss the report. The discussion will be about the correct use of the scientific notation, of the experimental protocol and of the statistical data analysis. The assessment is relevant to all the group members and its validity is 24 months.

Oral Exam:

This exam is aimed to verify the knowledge of the fundamental physical models relevant to interaction of radiation with matter, decay phenomena, analysis techniques for the charaterization and dating of materials in cultural heritage, and to verify the ability to properly show the experimental techniques and the interpretative models of the laboratory activities. Only students with a sufficient evaluation of their laboratory reports (>18/30) will be admitted to the oral exam. The exam will be focused on the physics, the instrumentation and the results obtained from the analysis of acquired data, relatively to the laboratory experience performed by the student and at least three question on topics presented during the course lectures.

The final mark will result from the average of the marks obtained in the 2 above-mentioned exams (evaluation of the laboratory reports and oral exam).
The calendar of exams sessions is shown on the ESSE3 website.
Extraordinary sessions can be granted to students only if they are close to their thesis dissertation, and if they don't have any courses left to follow and only one exam left to undertake.

 

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Programma

Interazione radiazione-materia: particelle cariche pesanti (protoni), particelle cariche leggere (elettroni), raggi x
Applicazione ai beni culturali di tecniche di analisi composizionale che fanno uso di radiazioni ionizzanti: sonda di elettroni (EDX, CL), ioni (PIXE, PIGE, RBS) e raggi x (XRF). Tecniche di imaging con raggi x: radiografie e tomografie.
Tecniche di datazione basate sul decadimento nucleare: introduzione sulla radioattività e sulla struttura dei solidi, metodo del radiocarbonio, metodo della termoluminescenza
Per tutte le tecniche illustrate saranno presentati casi di studio su oggetti di interesse storico-artistico. L'attività di laboratorio si articolerà in esercitazioni su alcuni dei seguenti argomenti: misure di termoluminescenza, studio del decadimento di un radioisotopo, radiografie.

Dating techniques based on nuclear decay:
introduction to radioactivity and structure of solidsradiocarbon thermoluminescence
Multispectral imaging techniques
X-ray imaging: X-rays and CT
Application to the cultural heritage of compositional analysis techniques
using ionizing radiationelectron probe (EDX, CL), ions (PIXE, PIGE, RBS) and x-ray (XRF)
For all the techniques will be presented case studies of objects of historicand artistic interest.
The laboratory will consist of tutorials on some of the following topics:
thermoluminescence measurements radioisotope decay studyradiographs

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Testi consigliati e bibliografia

Dispense fornite dal docente e disponibili alla voce "Materiale Didattico"

 Lecture notes

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Orario lezioni

GiorniOreAula
Lezioni: dal 28/09/2015 al 10/06/2016

Nota: Per l'orario dettagliato delle lezioni consultare la pagina "Orario Lezioni"
http://stmateriali.campusnet.unito.it/do/lezioni.pl

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Ultimo aggiornamento: 15/06/2015 18:57
Location: https://stmateriali.campusnet.unito.it/robots.html
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