Curie - La scoperta della radioattività

Angelo Gavezzotti, AA.VV., Angelo Gavezzotti

• Editore: Pelago
• Anno: 2021
• ISBN:
  9791280714961
• Argomento: Scienze fisiche
• Categoria: Fisica nucleare

Agli albori del Novecento, in un laboratorio freddo e male attrezzato, studiando le straordinarie proprietà di minerali capaci di emettere luce, calore e raggi in maniera spontanea, i coniugi Marie e Pierre Curie fondano una nuova scienza: la radioattività. Le loro ricerche li portano a scoprire nuovi elementi (il polonio e il radio) e aprono la strada per una nuova concezione dell'atomo, che può trasformarsi ed emettere particelle. Marie Curie è la prima donna cui sia stato conferito un premio Nobel, una delle pochissime personalità ad averne ricevuti più d'uno e per di più in due differenti discipline (fisica e chimica). Nei decenni successivi, gli studi in materia si sono moltiplicati vertiginosamente (anche grazie alla figlia dei Curie, Irène, e al marito Frédéric Joliot, premi Nobel nel 1934 per la scoperta della radioattività artificiale) aprendo la strada a fondamentali scoperte, dall'energia nucleare alle particelle subatomiche.

FOCUS

L’IMPORTANZA DEI CURIE

L’universo – così ci dicono quasi unanimi gli astrofisici e i cosmologi – è nato da una primitiva esplosione di dimensioni inimmaginabili, nel buio della notte del tempo e in un luogo imprecisato di uno spazio che ancora non esisteva come tale; da questa fucina ciclopica, durante un’espansione da dimensioni infinitesimali fino a miliardi di anni luce, i mattoni fondamentali della materia, elettroni, protoni e neutroni, si sono condensati in atomi. Nel cuore delle stelle, che agiscono da fucine secondarie, atomi semplici come idrogeno ed elio si sono ulteriormente aggregati per dar luogo a nuclei più complessi, come quelli del carbonio, dell’ossigeno, del silicio, del ferro, dell’oro, dell’uranio. Questi nuovi atomi a loro volta si sono legati in costruzioni sempre più strutturate fino a formare tutti gli oggetti macroscopici del mondo attuale: acqua, aria, terra, cristalli, ma anche piante, proteine, animali e infine quella creatura che per qualche tempo si è creduta unica signora e padrona dell’universo medesimo, l’essere umano.

Sull’oscuro e periferico pianetino chiamato Terra, in una città chiamata Parigi, circa centocinquanta anni fa, Pierre Curie è un gentiluomo di famiglia borghese benestante. Esente dal bisogno di faticare per guadagnarsi da vivere, ha un carattere schivo e quasi sognatore, ma è dotato di un intelletto vivace e portato alla speculazione astratta; avrebbe potuto essere un eccellente filosofo o un poeta e invece la sua passione lo porta a studiare i cristalli, le più singolari costruzioni architettate dalla natura inanimata, e in particolare la loro caratteristica più cospicua e affascinante: la simmetria.

Il quarzo, forse il più abbondante minerale sulla Terra, è composto di silice pura, due atomi di ossigeno per ogni atomo di silicio. Stabilita la disposizione di questi elementi fondamentali, tramite regole di ripetizione spaziale periodica è possibile risalire alla completa struttura interna del materiale, come per un puzzle microscopico. Queste regole di ripetizione vengono formulate in termini geometrici e matematici, che costituiscono appunto l’oggetto di studio di Pierre Curie negli anni intorno al 1880.

Accanto a queste qualità di indagatore astratto, Pierre possiede anche un’eccellente capacità di lavoro manuale, per cui insieme al fratello Jacques improvvisa un piccolo laboratorio quasi casalingo costruendo strumenti originali per misurare molte proprietà fisiche dei cristalli, tra cui specialmente i deboli effetti magnetici ed elettrici che li pervadono. I due fratelli scoprono che le proprietà magnetiche dei materiali variano in funzione della temperatura, con l’improvvisa scomparsa della magnetizzazione a una ben precisa temperatura, che in onore di Pierre si chiama ancora oggi “punto di Curie”. Poi, in seguito a un’intuizione magistrale, o chissà forse per semplice caso, i fratelli si accorgono che applicando una pressione meccanica in una determinata direzione un cristallo di quarzo genera alle sue estremità una differenza di potenziale elettrico: hanno insomma costruito un dispositivo come la pila di Volta, ma senza bisogno di metalli, di soluzioni acide e di altri ingredienti costosi e ingombranti.

I due fratelli hanno scoperto un modo per convertire l’energia meccanica della pressione in energia elettrica sfruttabile attraverso la differenza di potenziale.

L’effetto piezoelettrico, così denominato usando la radice della parola greca che significa pressione, è una scoperta epocale e con conseguenze pratiche enormi: l’avesse fatta Edison, sarebbe immediatamente corso all’ufficio brevetti più vicino e avrebbe allertato la stampa mondiale. Invece i fratelli Curie, dilettanti puri e totalmente privi di intuizioni applicative, si limitano a preparare un articolo accademico che rimarrà confinato in un oscuro giornale scientifico.

L’effetto piezoelettrico è sensibile anche a minuscole variazioni di pressione, ed è anche reversibile, in quanto l’applicazione di un potenziale elettrico esterno comporta una contrazione del cristallo. Si può per esempio trasformare un’onda di pressione sonora in un segnale elettrico. Inoltre, cosa di non poca importanza, il quarzo è un materiale abbondante e poco costoso. Sulla scoperta della piezoelettricità da allora fino a oggi si basano applicazioni pratiche che vanno dal sonar alle puntine dei vecchi giradischi ai microfoni agli accendini agli orologi digitali, senza contare mille altri impieghi nel campo dell’elettronica. Il segnatempo a quarzo che scandisce le operazioni di un computer portatile funziona grazie a questa scoperta.

Poco lontano dalla tranquilla dimora della famiglia Curie vive una studentessa polacca che si accontenta di una soffitta non riscaldata sulla riva sinistra della Senna e che spesso non ha neppure i soldi con cui comprare i francobolli per scrivere lettere ai parenti lontani. Maria Skłodowska, questo è il suo nome, possiede però due occhi grigi e uno sguardo intenso che rivelano un’intelligenza non comune e una volontà ferrea. Vuole a tutti i costi conseguire una laurea in scienze alla Sorbona, la prestigiosa università parigina, dove un piccolo gruppo di poche decine di donne lotta per ottenere parità di considerazione e di diritti con le migliaia di studenti maschi. Quando quegli occhi incontrano quelli del timido Pierre, nel 1894, è un colpo di fulmine, che per lui significherà l’addio al quieto mondo dei cristalli e per lei l’inizio di una grande avventura di scoperta scientifica.

Silicio e ossigeno sono elementi chimici i cui atomi hanno nuclei relativamente piccoli e stabili, ma la fucina dell’universo ha generato anche atomi molto più complessi il cui nucleo è sottoposto a enormi forze di disaggregazione, tanto che molti degli atomi più pesanti non sopravvivono e si frantumano spontaneamente generando atomi con nuclei più piccoli, emettendo contemporaneamente grandissime quantità di energia sotto diverse forme. Naturalmente alla fine del XIX secolo nessuno ancora aveva idee precise né sulla struttura del nucleo atomico né sulle cause di queste sue trasformazioni.

Ben presto Pierre e Marie, persone di temperamento così diverso, si ritrovano unite nel matrimonio e nella difficile impresa di studiare a fondo un fenomeno nuovo e misterioso scoperto quasi per caso dal loro concittadino Henri Becquerel nel 1896.

Esistono minerali contenenti sostanze che emettono calore, luminescenza e raggi che possono annerire le lastre fotografiche proprio come la luce, ma nel buio più completo e passando attraverso l’apparente schermatura di corpi solidi. La pechblenda è un minerale complesso contenente uranio, ma l’emissione di radiazione di questo minerale è molto più intensa di quella dei sali di uranio puri: come è possibile?

Sotto la spinta dell’intuizione di Maria, sostenuta dal fedele incoraggiamento di Pierre, i due passano lunghi mesi in un laboratorio freddo e male attrezzato, all’inizio senza aiuti di sorta da parte delle autorità scientifiche e accademiche. Pierre fornisce un ingegnoso dispositivo che permette di ottenere misure quantitative dell’attività di irraggiamento. Macinano e filtrano tonnellate di pechblenda per estrarre una piccolissima quantità di un componente fino allora ignoto, a cui danno il nome di polonio, in onore del paese natale di Marie. Subito dopo scoprono e isolano un altro nuovo componente, cui danno il nome (evocatore) di radio. Si tratta di due nuovi elementi chimici che riempiono caselle vuote della tabella in cui Mendeleev ha classificato le proprietà periodiche degli elementi.

Il radio, come da loro previsto, è molto più “radio-attivo” dello stesso uranio ed è il principale responsabile della anomala attività della pechblenda. Pierre e Marie notano subito che il materiale emette continuamente calore in maniera del tutto spontanea, senza necessità di alcuno stimolo e senza che avvenga una normale trasformazione chimica.

Scoprono così di fatto un nuovo universo della chimica e della fisica, a cui danno il nome di “radio-attività”, e contemporaneamente scoprono e donano al mondo l’energia nucleare.

Il radio sarà la ragione di vita di Marie anche dopo la scomparsa di Pierre, vittima di un banale incidente di traffico. Gli effetti di questa sostanza e di molte altre analoghe che verranno successivamente individuate costituiscono un campo di ricerca che si svilupperà vertiginosamente nei decenni seguenti, aprendo immense prospettive teoriche e pratiche. Infatti è solo sulla base di queste scoperte che si arriverà finalmente alla caratterizzazione completa della struttura del nucleo atomico; e le immense energie evolute nel corso della fissione nucleare potranno essere usate per scopi benefici, tra l’altro con la costruzione di centrali per la produzione di energia elettrica a basso prezzo. Non certo per colpa dei due Curie, ma in conseguenza della follia umana, gli stessi sviluppi porteranno purtroppo anche allo spaventoso incubo della guerra nucleare.

LE OPERE SCIENTIFICHE

PIERRE CURIE: L’ANISOTROPIA DEI CRISTALLI

Lo studio della simmetria cristallina appassiona Pierre Curie in molti modi. Da una parte, si dedica agli aspetti teorici e matematici degli elementi di simmetria; d’altra parte, si rende presto conto che la simmetria interna dei materiali è all’origine di molti effetti fisici ancora tutti da scoprire.

Cosa si intende esattamente per anisotropia, parlando dei cristalli? Tutti i corpi solidi, per definizione, mantengono invariata la loro forma nel tempo, una caratteristica macroscopica che deriva dal fatto microscopico che gli atomi e le molecole che li compongono sono disposti a stretto contatto e quindi non possono compiere movimenti di grande ampiezza. Esiste però una fondamentale differenza strutturale tra i solidi cosiddetti amorfi e i solidi cristallini. Per esempio, il vetro è un solido amorfo composto principalmente di silice, in cui gli atomi di silicio e di ossigeno sono legati e vicini, e sono immobili salvo piccole oscillazioni, ma in cui non esiste una regola precisa che colleghi le loro posizioni nello spazio. In un punto qualsiasi del materiale si può trovare tanto un atomo di silicio quanto un atomo di ossigeno, assolutamente a caso.

Per contro nella silice cristallina, il quarzo, gli atomi sono disposti in modo tale che le loro posizioni reciproche sono regolate da relazioni spaziali precise, continue e periodiche nelle tre dimensioni. È solo un caso il fatto che alcuni tipi di bicchieri siano detti “di cristallo”: si tratta solo di una qualità pregiata di vetro particolarmente trasparente, che però non ha niente di veramente cristallino. I cristalli posseggono forme spesso affascinanti e proprietà ottiche particolari, per cui “cristallo” e “cristallino” sono diventati sinonimi di bellezza, purezza e trasparenza.

Mentre gli amorfi sono privi di forme riconoscibili, come dice la parola stessa, i cristalli presentano facce ben caratterizzate e spigoli vivi. Un semplice esempio può illustrare ancora meglio la differenza. Una compagnia di cento soldati è raggruppata nel cortile della caserma. Ogni soldato è fermo ma rivolto in direzione casuale, e il gruppo nel suo insieme ha una forma pressoché circolare: la compagnia è allo stato “amorfo”. Al segnale di adunata i soldati si mettono in riga e in colonna, formando un rettangolo in cui si distingue una fronte, un lato e una coda. La compagnia si è congelata allo stato “cristallino”. Il comando «sciogliete le righe» è il permesso di muoversi liberamente, l’equivalente di ciò che avviene quando a un cristallo viene fornito calore, e gli “atomi” della compagnia si affrettano correndo disordinatamente verso la sala mensa. Si è verificata la liquefazione, o addirittura l’evaporazione, del cristallo.

L’adunata dei soldati fornisce un esempio di simmetria molto semplice, cioè la pura traslazione per cui l’unità elementare si riproduce nello spazio come nel movimento di un pedone degli scacchi. Nei cristalli le simmetrie possono essere molto più complesse: per esempio per riflessione delle molecole costituenti attraverso un piano o per rotazione attorno a un asse, o infine per completa inversione per effetto di un centro di simmetria. La ripetizione periodica e orientata di una unità (cella) elementare nelle tre dimensioni dello spazio genera comunque l’anisotropia del cristallo, per cui lungo direzioni diverse si incontrano disposizioni diverse di atomi, e si hanno quindi proprietà fisiche diverse. I materiali amorfi e a maggior ragione i liquidi, nei quali atomi e molecole sono anche liberi di compiere brevi spostamenti e rotazioni, ovviamente non posseggono questa caratteristica e sono pertanto detti isotropi.

PIERRE CURIE: L’EFFETTO PIEZOELETTRICO

Pierre Curie, con la collaborazione del fratello Jacques, scopre che comprimendo un cristallo di quarzo lungo una certa direzione si crea una debole ma ben rilevabile differenza di potenziale elettrico alle due estremità. Tutti i cristalli sono anisotropi, ma solo alcuni, come il quarzo, hanno questo effetto. Come è possibile? La risposta ultima viene dalla conoscenza della struttura atomica interna e delle proprietà di simmetria.

A sinistra: semplice traslazione nel piano. A destra: inversione su un centro di simmetria e traslazione nel piano

Il punto essenziale è che il quarzo è un cristallo all’interno del quale non esiste simmetria di inversione. Un esempio in due sole dimensioni può servire a chiarire la questione. Nel caso della semplice traslazione (la figura del cagnolino) tutte le unità costituenti guardano dalla stessa parte, mentre nel caso della presenza di un centro di simmetria per ogni unità che guarda in una direzione data deve esistere una unità che guarda nella direzione opposta (nella figura, una ragazzina col cappellino è diritta mentre la sua vicina è a gambe all’aria). Questa caratteristica geometrica si accoppia alla fisica della coesione cristallina. Nei cristalli le unità componenti sono atomi oppure molecole formate dall’unione di due o più atomi mediante legami chimici. Tutti questi oggetti sono permeati di carica elettrica, negativa quella portata dagli elettroni e positiva quella portata dai protoni del nucleo. Le interazioni tra cariche elettriche sono mediate dalla legge di Coulomb: date una carica q₁ e una carica q₂ a distanza R l’energia potenziale derivante dall’ interazione vale

E = q₁ × q₂ / R

Se le due cariche sono dello stesso segno l’energia è positiva e al diminuire della distanza il sistema viene progressivamente destabilizzato, mentre se le due cariche hanno segno opposto l’energia è negativa e il sistema viene stabilizzato. Nella struttura interna di un cristallo gli atomi sono disposti in modo che le interazioni tra cariche dello stesso segno bilanciano esattamente le interazioni tra cariche di segno opposto, una specie di miracolo geometrico-spaziale che atomi e molecole compiono sistemandosi spontaneamente nelle posizioni opportune quando il materiale cristallizza. Di conseguenza non si osserva alcuna differenza globale di potenziale elettrico nel cristallo macroscopico composto da un numero grandissimo di unità.

Cosa accade quando si esercita una pressione meccanica esterna su una faccia del cristallo? Semplicemente, si ha una minuscola contrazione di volume, sufficiente però a spostare leggermente tutti gli atomi costituenti, cambiando di conseguenza tutte le distanze fra di loro, e non sempre le interazioni positive e negative mantengono un bilanciamento perfetto come nel cristallo non distorto.

Se la direzione in cui la pressione è esercitata è scelta in modo opportuno si genera un eccesso di carica positiva a una estremità del cristallo e un eccesso di carica negativa all’estremità opposta, cioè un polo positivo e un polo negativo e quindi una differenza di potenziale elettrico tra le due estremità.

Ancora una volta un semplice esempio permette di catturare l’essenza fisica del fenomeno. La pressione va esercitata in una direzione in cui tutti gli elementi interni “guardano” dalla stessa parte; per esempio, nella figura qui sotto le separazioni tra la testa e la coda del cagnolino hanno subito tutte lo stesso accorciamento e tutte nella stessa direzione. Se invece il cristallo è centrosimmetrico, ossia gli elementi costituenti sono sempre appaiati e rivolti in direzioni opposte, un membro della coppia subisce un effetto uguale e opposto a quello del suo compagno e non si avrà mai la creazione di una disuguaglianza direzionale complessiva.

All’epoca degli esperimenti di Pierre Curie non si conosceva la struttura interna dei materiali a livello atomico e molecolare, per cui le ricerche venivano condotte per tentativi, esaminando chissà quanti cristalli e, con infinita pazienza, tutte le possibili direzioni di applicazione della pressione. Le misure erano però molto accurate, poiché per studiare il fenomeno Pierre Curie aveva costruito appositamente apparecchi molto ingegnosi per misurare piccoli effetti meccanici e per valutare i deboli potenziali elettrici generati. Il quarzo è abbondante ed è anche il prototipo in natura di cristallo non-centrosimmetrico: non stupisce quindi che sia stato uno dei primi materiali su cui sia stato scoperto l’effetto piezoelettrico. Una bilancia b...

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