Impiego della microscopia ionica (PIXE) per la caratterizzazione di monete d'argento di età romano repubblicana

This thesis project has been carried out in the Physics Department of the University of Turin in collaboration with the Italian Institute of Nuclear Physics INFN-LNL (Legnaro National Laboratories) in Legnaro (PD). It deals with the application of ion microscopy, PIXE (Proton Induced X-Ray Emission), to the study of ancient Roman Republican silver coins (II ¿ I sec B.C.). Understanding the manufacturing techniques of ancient coins, as well as the materials used, is of great importance for a number of reasons. Not only does it help us ascertain the level of technological sophistication reached by ancient civilisations, the places of ore mining, the number of mints and the historical period of minting, but also provides us with the knowledge needed to recreate complex commercial exchanges with bordering communities and to understand the influence of these external trade relationships. Until few decades ago the study of ancient artifacts was based on typological and stylistic analysis, the objects variation through time and their areal distribution, however with modern scientific analysis we are able to reassess these findings as well as gain access to previously unachievable data. In this study we wanted to evaluate the capacity and limitations of micro-PIXE analysis applied to the characterization of Quinarii, Victoriati and Drachms, focusing on the presence or absence of major, minor and trace elements. To that purpose, the aim of the project was to deepen our understanding of the structure and internal microstructure of the various coin typologies to improve our knowledge of these objects. In the case of alloy artifacts, such as the ancient coins studied in this work, it is possible to find the presence of a superficial enriched layer, and close examination demonstrates a significant difference between the composition of bulk and surface material. For that reason we decided to use a destructive technique with the cutting of a selection of samples to quantitatively analyse the bulk. Considering the presence of surface-enriched layers on coins, another goal of this work was to determine which coins require a non-destructive surface approach - that is to say without cutting them - and where this approach is not appropriate because the bulk silver content would be overestimated. This work was performed by using the linear particle accelerator type 2,5 Van der Graaff, AN2000, that has five channels, one of which is used for the microbeam line ¿ a tool used in multiple disciplines, including cultural heritage studies. We analysed 19 samples: 14 ancient coins and 5 modern coins, used as references. The application of PIXE technique to the study of these coins proved effective in the determination of trace elements and enriched layers, inspected not only with punctual analysis, but also through compositional 2D maps. We obtained information about major and trace elements correlations. These have been useful to understand the ores used, the production techniques and the different places where coins were preserved. The work is divided into three sections: the first part explains in detail the analysed coin typologies, the ancient production techniques, the alloy materials and the theory in the formation of enriched layers; the second part discusses the PIXE instruments and, finally, the third part focuses on the sample analysis.

Il presente lavoro di tesi, realizzato all'interno del Dipartimento di Fisica dell'Università di Torino in collaborazione con l'Istituto Nazionale di Fisica Nucleare INFN-LNL, Laboratori Nazionali di Legnaro, vede l'applicazione della microscopia ionica, PIXE (Proton Induced X-Ray Emission), allo studio di monetazione d'argento di epoca romano repubblicana (II ¿ I sec. a.C.). Conoscere il materiale di cui sono costituite le monete antiche e le tecniche con cui sono state realizzate è fondamentale non solo per comprendere il livello tecnologico raggiunto dai popoli che le hanno prodotte, i luoghi di approvvigionamento delle materie prime e il periodo storico di fabbricazione, ma anche per ricostruire i complessi rapporti commerciali con le culture limitrofe e l'influenza che queste avevano su di essi. Fino a pochi decenni fa lo studio di oggetti antichi si è basato principalmente su analisi tipologiche e stilistiche, sulle variazioni degli oggetti nel corso del tempo, sulla loro distribuzione areale: l'analisi scientifica permette, da un lato, di confermare le ipotesi avanzate con questi metodi tradizionali, dall'altro, di accedere a dati nuovi, altrimenti non ottenibili. In questo elaborato si è voluto valutare, quindi, quali fossero le potenzialità e i limiti della tecnica micro-PIXE nella caratterizzazione di Quinari, Vittoriati e Dracme, focalizzandosi principalmente sulla presenza o assenza di elementi maggiori, minori e in traccia. Questi ultimi, infatti, risultano rilevabili in particolar modo con analisi che fanno uso di sonde a protoni. Lo scopo del presente progetto è stato quello di approfondire, perciò, la conoscenza della struttura e microstruttura interna di queste tipologie monetali, in modo da integrare il nostro sapere su queste emissioni. Inoltre, nel caso di manufatti in lega, quali appunto le monete d'argento antiche oggetto di questo lavoro, è possibile riscontrare la presenza di uno strato di arricchimento superficiale, che può comportare notevoli variazioni composizionali tra bulk e superficie. Si è dunque scelto di procedere con un'analisi invasiva che ha previsto il taglio di una selezione di campioni al fine di poterne analizzare quantitativamente il nucleo. Considerando l'eventuale presenza di strati di arricchimento superficiale nelle monete, tale progetto ha avuto anche l'obiettivo di valutare per quali tipologie monetali è possibile condurre analisi superficiali non distruttive, ovvero senza necessità di tagliarle, e per quali invece tale approccio non sia ritenuto valido poiché il contenuto di argento del bulk risulterebbe sovrastimato. Le analisi sono state condotte con un acceleratore di particelle di tipo 2,5 MV Van der Graaff, AN2000, dotato di cinque canali di misura di cui uno permette di ottenere un micro fascio dedicato fra l'altro, anche, per lo studio di oggetti del patrimonio culturale. I campioni studiati sono stati 19 in totale di cui 14 monete antiche e 5 moderne, usate come confronto. L'applicazione della tecnica PIXE per lo studio di queste monete si è dimostrata efficace per la determinazione delle componenti in traccia e per l'analisi degli strati arricchiti superficiali, indagati non solo tramite analisi puntuali, ma anche con mappe composizionali 2D. Si sono ottenute informazioni circa le correlazioni tra elementi maggiori e in traccia, le quali hanno fornito indicazioni sulle materie prime utilizzate per l'estrazione dei metalli, le tecniche di produzione delle monete e i diversi terreni di seppellimento.