La signora della radioattività

Marie Curie

Ci sarebbe da evocare la casuale affinità etimologica tra la curiosità che uccise l’incauto gatto e lo strano destino che portò sull’altare Maria Salomea Skłodowska detta Manya, a congiungersi con Pierre Curie, ma sarebbe irriverente, oltre che impertinente. Fatto sta che Marie deve la sua storia romanzesca ed esemplare esistenza alla sua caparbietà, intelligenza, determinazione, genialità quasi ossessiva, ma soprattutto alla sua curiosità, una qualità di incommensurabile valore per il progresso scientifico. Suo è il noto aforisma:

Sii meno curioso della gente, e più curioso delle idee.

Ma è soprattutto con questa citazione dal convegno della cultura del 1933 che si esprime tutta la sua umile ma importante essenza:

Uno scienziato nel suo laboratorio non è soltanto un tecnico, è anche un fanciullo posto di fronte a fenomeni naturali che lo impressionano come un racconto di fate. Dobbiamo avere un mezzo per comunicare questo sentimento all’esterno, non dobbiamo lasciar credere che ogni progresso scientifico si riduca a macchine e ingranaggi. L’umanità ha bisogno di persone d’azione, ma ha anche bisogno di sognatori per i quali perseguire disinteressatamente un fine è altrettanto imperioso quanto è per loro impossibile pensare al proprio profitto.

Fiumi di inchiostro e oceani di bit che commemorano una delle donne più straordinarie della storia della scienza, attestano l’autorevolezza della scienziata che è stata scelta come emblema indiscusso dell’anno internazionale della chimica, in occasione del centenario del premio Nobel per la chimica, da lei ricevuto nel 1911 “in riconoscimento dei suoi servizi al progresso della chimica per la scoperta del radio e del polonio, per l’isolamento del radio e lo studio della natura e dei composti di questo elemento straordinario.”

Oggi, anche Google le dedica il suo camaleontico doodle, nella ricorrenza che celebra il 144° anniversario della sua nascita, il 7 novembre del 1867, avvenuta a Varsavia, a quei tempi inglobata nel territorio della Russia. Un omaggio doveroso.

Ora, se pensavate di leggere un’altra minibiografia, come ne esistono a migliaia, dovrete ricredervi. Anzi in verità, per non scontentare nessuno in calce troverete qualche link, in italiano e in inglese. Questa volta vorrei invece proporre la traduzione in italiano del suo primo paper scientifico sulla radioattività e della nota seguente dei coniugi Curie presentata alla comunità scientifica dal fisico veterano Henri Becquerel, sulla nuova sostanza radioattiva contenuta nel minerale pechblenda.

Apparecchiatura completa per la misura della radioattività. (Fonte: R.F. Mould, “The Discovery of Radium in 1898 by Maria Sklodowska-Curie …” The British Journal of Radiology 71(1998): 1229–1254, illustration is figure 19 on page 1237) via PACHS

Raggi emanati da composti di uranio e torio 

Ho studiato la conduttanza dell’aria sotto l’influenza dei raggi prodotti dall’uranio scoperti da Becquerel, e ho esaminato quali sostanze erano in grado di rendere l’aria un conduttore di elettricità. In questa ricerca ho utilizzato un condensatore a piatti paralleli, uno dei quali era ricoperto da uno strato uniforme di uranio o di un’altra sostanza finemente polverizzata. (Diametro dei piatti 8 cm, separazione 3 cm) Si stabilisce una differenza di potenziale di 100 volt. Il valore assoluto della corrente che attraversa il condensatore è stato misurato per mezzo di un elettrometro e un quarzo piezoelettrico.

Ho esaminato un gran numero di metalli, sali, ossidi e minerali. La tabella seguente mostra, per ogni sostanza, l’ampiezza della corrente i in ampere (ordine di grandezza 10^-11). Le sostanze che ho testato, ma che sono state omesse dalla tabella, sono almeno 100 volte meno attive dell’uranio.

-                                                                                                                  Ampere

Uranio contenente tracce di carbonio 24×10^-12

Ossido di uranio nero  ( U₂O₅ ) 27 “

Ossido di uranio verde ( U₃O₈ ) 18 “

Uranati di ammonio, potassio o sodio (approssimativo) 12 “

Acido uranico idrato 6 “

Nitrato di uranile, solfato uranoso, solfato di potassio e uranile (appross.) 7 “

Chalcolite artificiale (fosfato di rame e uranile) 9 “

Ossido di torio in uno strato spesso 0,25 mm 22 “

Ossido di torio in uno strato spesso 6 mm 53 “

Solfato di torio 8 “

Fluossitantalato di potassio 2 “

Fluossiniobiato di potassio e ossido di cerio 0,3 “

Pechblenda di Johanngeorgenstadt 83 “

Pechblenda di Cornovaglia 16 “

Pechblenda di Joachimsthal e di Pzibran 67 “

Chalcolite naturale 52 “

Autunite 27 “

Varie thoriti da 2 a 14 “

Orangite 20 “

Samarskite 11 “

Fergusonite, monazite, xenotime, niobite, eschynite da 3 a 7 “

Cleveite molto attiva

Tutti i composti di uranio studiati sono attivi e, in generale, sono più attivi all’aumentare del loro contenuto in uranio. I composti del torio sono molto attivi. L’ossido di torio supera anche l’attività dell’uranio metallico. Da notare che i due elementi più attivi. sono anche quelli che possiedono il maggior peso atomico. Cerio, niobio e tantalio appaiono essere debolmente attivi.

Il fosforo bianco è molto attivo, ma la sua azione è probabilmente di natura diversa da quella dell’uranio o del torio. Infatti il fosforo non è attivo nella forma di fosforo rosso oppure allo stato di fosfato.

Tutti i minerali che dimostrano attività contengono elementi attivi. Due minerali dell’uranio, la pechblenda (un ossido di uranio) e la chalcolite (fosfato di rame e uranile), risultano più attivi dell’uranio stesso. Questo fatto è notevole, e suggerisce che questi minerali possano contenere un elemento molto più radioattivo dell’uranio. Ho preparato la chalcolite a partire da reagenti puri secondo il metodo di Debray, e questa chalcolite artificiale non è più attiva degli altri sali di uranio.

Assorbimento – Gli effetti prodotti dalle sostanze attive aumenta con lo spessore dello strato del campione. Questo incremento è molto debole per i composti di uranio, è considerevole per l’ossido di torio, che sembra così parzialmente trasparente ai raggi che emette.

Per studiare la trasparenza di varie sostanze, si posiziona una piccola lastra di esse sullo strato attivo. L’assorbimento è sempre molto forte. Tuttavia i raggi passano attraverso metalli, vetro e carta di piccolo spessore. Ecco le frazioni di radiazione trasmessa attraverso un foglio di alluminio spesso  0,01 mm:

mm [sic]

0,2 per uranio, uranato di ammonio, ossido uranoso, chalcolite artificiale

0,33 per pechblenda e chalcolite naturale

0,4 per ossido di torio e solfato di torio in uno strato di 0,5 mm

0,7 per ossido di torio in uno strato di 6 mm.

Si vede che composti dello stesso metallo emettono i raggi assorbiti in egual misura. I raggi emessi dal torio sono più penetranti di quelli emessi dall’uranio, infine l’ossido di torio in uno strato spesso emette raggi molto più penetranti di quelli emessi da uno strato sottile.

Immagini fotografiche – Ho ottenuto delle buone immagini fotografiche con l’uranio, ossidi uranosi, pechblenda, chalcolite e ossidi di torio. Questi corpi agiscono a poca distanza, sia attraverso l’aria, che nel vetro o nell’alluminio. Il solfato di torio produce immagini più fioche, e il fluossitantalato di potassio immagini ancora più deboli.

Analogia con i raggi secondari dei raggi Röntgen - Le proprietà dei raggi emessi da uranio e torio sono molto simili a quelli dei raggi secondari dei raggi Röntgen, studiati di recente da Sagnac. Ho constatato inoltre che uranio, pechblenda e ossido di torio emettono, sotto l’azione dei raggi Röntgen, i raggi secondari che, dal punto di vista dei corpi elettrificati che si scaricano, in genere manifestano un effetto maggiore dei raggi secondari del piombo. Fra i metalli studiati da Sagnac, uranio e torio si posizionano prima e dopo il piombo, rispettivamente.

Per interpretare la radiazione spontanea di uranio e torio, si potrebbe immaginare che tutto lo spazio è continuamente attraversato da raggi analoghi ai raggi Röntgen, anche se molto più penetranti e impossibili da assorbire se non da alcuni elementi ad alto peso atomico come l’uranio e torio.

Nota di M^me Sklodowska Curie presentata da M. Lippmann, Comptes Rendus 126, 1101-3 (1898), traduzione dalla versione in inglese di Carmen Giunta da Gifh.

-^-^-^-^-^–^-^-^-^-^–^-^-^-^-^–^-^-^-^-^–^-^-^-^-^–^-^-^-^-^–^-^-^-^-^–^-^-^-^-^-

Sulla nuova sostanza radioattiva contenuta nella pechblenda

Una caricatura dei Curie pubblicata su Vanity Fair, 1904. CHF Collections.

Alcuni minerali contenenti uranio e torio (pechblenda, chalcolite, uranite) sono molto attivi dal punto di vista delle emissioni di raggi Becquerel. In un articolo precedente, uno di noi ha dimostrato che la loro attività è ancora più grande di quella di uranio e torio, e ha espresso l’opinione che questo effetto era attribuibile a qualche altra sostanza molto attiva inclusa in piccole quantità in questi minerali.

Lo studio di composti di uranio e torio ha dimostrato infatti che la proprietà di emettere raggi che rendono l’aria conduttiva e che influenzano le lastre fotografiche, è una proprietà specifica di uranio e torio che si verifica in tutti i composti di questi metalli, in misura proporzionale a quella del metallo contenuto. Lo stato fisico delle sostanze sembra avere un’importanza del tutto secondaria. Vari esperimenti hanno dimostrato che lo stato di miscela di queste sostanze sembra agire solo per variare le proporzioni dei corpi attivi e l’assorbimento prodotto dalle sostanze inerti. Alcune cause (come la presenza di impurità) che hanno un così grande effetto sulla fosforescenza o fluorescenza, qui sono prive di alcun effetto. E’ quindi molto probabile che se certi minerali sono più attivi di uranio e torio, allora essi contengono una sostanza più attiva di questi metalli.

Abbiamo cercato di isolare questa sostanza nella pechblenda e la sperimentazione ha appena confermato le congetture precedenti.

L'elettrometro di Pierre e Jacques Curie. Fonte: APS

Le nostre ricerche chimiche sono state guidate da un controllo costante delle attività radianti dei prodotti separati in ciascuna operazione. Ogni prodotto è stato posto su uno dei piatti di un condensatore e la conduttività acquisita dall’aria è stata misurata con l’ausilio di un elettrometro e un quarzo piezoelettrico, come nell’opera citata. Si ha quindi non solo una indicazione, ma un numero che dà una misura della forza del prodotto nella sostanza attiva.

La pechblenda che abbiamo analizzato era circa due volte e mezza più attiva rispetto all’uranio nel piatto del nostro apparecchio. Abbiamo trattato il minerale con acidi e le soluzioni ottenute con solfuro di idrogeno. Uranio e torio rimangono in soluzione. Abbiamo verificato i seguenti fatti:

I solfuri precipitati contengono una sostanza molto attiva insieme a piombo, bismuto, rame, arsenico e antimonio. Questa sostanza è completamente insolubile nel solfuro di ammonio, il quale la separa da arsenico e antimonio. I solfuri insolubili in solfuro di ammonio vengono disciolti in acido nitrico, la sostanza attiva potrebbe venire parzialmente separata dal piombo in acido solforico. Lavando il solfato di piombo con acido solforico diluito, la maggior parte della sostanza attiva precipitata insieme al solfato di piombo, viene ridissolta.

La sostanza attiva presente in soluzione insieme al bismuto e al rame viene precipitato completamente dall’ammoniaca che la separa dal rame. Infine, la sostanza attiva rimane con il bismuto.

Non abbiamo ancora trovato alcuna procedura esatta per separare la sostanza attiva dal bismuto con un metodo umido. Abbiamo, tuttavia, effettuato separazioni incomplete in base ai fatti seguenti:

quando i solfuri vengono disciolti con l’acido nitrico, le porzioni meno solubili sono le meno attive. Nella precipitazione dei sali in acqua, le porzioni che precipitano per prime sono di gran lunga le più attive. Abbiamo osservato che riscaldando la pechblenda, per sublimazione si ottengono alcuni prodotti molto attivi. Questa osservazione ci ha portato ad un processo di separazione basato sulla differenza di volatilità tra il solfuro attivo e il solfuro di bismuto. I solfuri sono stati riscaldati nel vuoto a circa 700° in un tubo di vetro di Boemia. Il solfuro attivo si deposita sotto forma di un rivestimento nero in quelle zone del tubo, con temperature comprese tra 250° e 300°, mentre il solfuro di bismuto rimane nelle zone più calde.

Prodotti sempre più attivi si ottengono con la ripetizione di queste diverse operazioni. Finalmente abbiamo ottenuto una sostanza la cui attività è di circa 400 volte superiore a quella dell’uranio. Abbiamo cercato ancora una volta tra le sostanze conosciute per determinare se questa fosse davvero la più attiva. Abbiamo esaminato i composti di quasi tutte le sostanze elementari, grazie alla gentilezza di molti chimici abbiamo avuto la possibilità di disporre di campioni delle sostanze più rare. Solo uranio e torio sono attivi naturalmente, forse anche il tantalio potrebbe esserlo in maniera molto debole.

Crediamo quindi che la sostanza che abbiamo estratto dalla pechblenda contenga un metallo non ancora segnalato e affine al bismuto nelle sue proprietà analitiche. Se l’esistenza di questo nuovo metallo sarà confermata, ci proponiamo di chiamarlo polonio, dal nome del paese di origine di uno di noi. Il sig. Demarçay è stato così gentile da esaminare lo spettro della sostanza che abbiamo studiato. Non era in grado di distinguere ogni linea caratteristica oltre a quelle imputabili alle impurità. Questo fatto non è favorevole all’idea dell’esistenza di un nuovo metallo. Tuttavia, Demarçay ha richiamato la nostra attenzione sul fatto che uranio, torio e tantalio mostrano spettri formati da innumerevoli linee molto sottili e difficili da risolvere.

Si consenta di notare che se l’esistenza di un nuovo elemento sarà confermata, questa scoperta sarà unicamente attribuibile al nuovo metodo di rilevazione permesso dai raggi Becquerel.

nota di P. Curie and Mme. S. Curie, presentata da H. Becquerel

Comptes Rendus 127, 175-8 (1898) tradotta e ripubblicata in Henry A. Boorse and Lloyd Motz, eds., The World of the Atom, Vol. 1 (New York: Basic Books, 1966) – traduzione dalla versione inglese di Gifh.

Approfondimenti consigliati:

11° Carnevale della chimica dal 23 novembre 2011 su Dropsea

“The discovery of radium in 1898 by Maria Sklodowska-Curie (1867–1934) and Pierre Curie (1859–1906) with commentary on their life and times” (PDF). The British Journal of Radiology 71 (852): 1229–54. PMID 10318996
Marie Curie and the Science of radioactivity – American Institute of Physics

Biografia di Marie Curie in italiano su Wikipedia