Becquerel e la scoperta (casuale) della radioattività


"I raise my flag, dye my clothes. It’s a revolution, I suppose" recitava una canzone degli Imagine Dragons qualche anno fa. Il testo di Radioactive a prima vista ha forse poco a che vedere con ciò che è la radioattività. Ma la sua scoperta è stata davvero una rivoluzione.


Partiamo dall'inizio. Come già per altri episodi che vi abbiamo raccontato, anche questa fu una scoperta frutto del caso. È la fine del 1800, siamo nella Francia devastata dal caso Dreyfus e dallo scandalo del Canale di Panama, mentre un fisico ed ingegnere, Professore all'École Polytechnic di Parigi, sta studiando la fosforescenza nei sali di uranio. Il fortunato scienziato si chiamava Antoine Henri Becquerel; figlio e nipote di eminenti fisici, Becquerel si era distinto già dalla sua tesi di dottorato per i suoi lavori di ottica, dello spettro infrarosso e per l'analisi dell'assorbimento della luce nei cristalli.


Nel 1896 era appunto intento a studiare i sali di uranio e il fenomeno della fosforescenza, ovvero l'emissione della luce di un colore a seguito dell'esposizione di un corpo alla luce di un altro colore. Assieme al matematico e amico Henri Poincaré, colui che pose le basi per la moderna teoria del caos, Becquerel cerca immediatamente di capire se ciò che aveva rilevato avesse una qualche affinità con i neoscoperti raggi X. Qualche mese prima infatti il fisico tedesco Wilhelm Conrad Röntgen ufficializzava la scoperta di quella porzione di spettro elettromagnetico ancora sconosciuta (e per questo chiamata X) che era stata oggetto di studio di altri prima di lui, tra cui lo stesso Tesla.


Becquerel cerca quindi di trovare una connessione tra la fosforescenza e questi nuovi raggi, ipotizzando che i materiali fosforescenti, come alcuni sali di uranio, potessero emettere radiazioni simili a quelli di Röntgen. Espone i sali di uranio alla luce solare e poi li posiziona su delle lastre fotografiche avvolte in carta opaca nera, credendo che l'uranio potesse assorbire l'energia del sole e poi emetterla come raggi X. Il meteo di Parigi non collabora: è fine febbraio e il cielo è nuvoloso. Per qualche strano motivo, Becquerel decide di sviluppare comunque le sue lastre fotografiche. Ed ecco la serendipità: con sua comprensibile sorpresa, le immagini erano forti e chiare, l'uranio aveva emesso radiazioni senza una fonte di energia esterna come il sole, e le aveva impresse sulla lastra fotografica.




Fonte immagine: Sekiya & Yamasaki, M. Antoine Henri Becquerel (1852–1908): a scientist who endeavored to discover natural radioactivity. Radiol Phys Technol 8, 1–3 (2015). doi: 10.1007/s12194-014-0292-z


Era ufficiale: i raggi X non avevano nessun ruolo, la radiazione proveniva dal materiale stesso senza eccitazione esterna. Becquerel aveva scoperto la radioattività spontanea. È un periodo di grandi novità; ben presto verranno scoperti ulteriori elementi radioattivi, tra cui il polonio e il radio da parte di Marie Skłodowska-Curie (studentessa di Dottorato di Becquerel, nonché colei che coniò il termine radioattività) e suo marito Pierre Curie. I tre scienziati vinceranno il Premio Nobel per la fisica nel 1903 in riconoscimento del loro contributo nella ricerca sui fenomeni radioattivi. Che poi, come per altri episodi, non è che Becquerel o i coniugi Curie furono davvero i primi a entrare in contatto con elementi radioattivi, solo che furono i primi ad accorgersi della novità e a mettere tutto per iscritto; infatti, già quarant’anni prima, nel 1857, Abel Niépce de Saint-Victor osservò che i sali di uranio emettevano radiazioni che potevano scurire le emulsioni fotografiche. E, fatto curioso, de Saint-Victor conosceva bene Edmond Becquerel, il padre di Henri Becquerel. Fu proprio Becquerel padre che nel 1868 nel suo libro La lumière: ses cause et ses effets” raccontava dell’amico e dei suoi curiosi fenomeni di luce e fotografie. Chissà, ci piace pensare che Becquerel figlio, anni dopo, nella biblioteca di famiglia, immerso nella lettura dei libri del padre si sia imbattuto negli esperimenti di de Saint-Victor, e lì abbia avuto un’illuminazione. Scusate: orribile ma doveroso gioco di parole.


La scienza della radioattività

Partiamo dalla definizione: la radioattività (misurata in, guardate un po’, “becquerel”, o Bq) è anche detta decadimento radioattivo, e rappresenta l’intero insieme di processi fisico-nucleari attraverso i quali i radionuclidi (nuclei atomici instabili) appunto “decadono”. Come sappiamo, ogni atomo è formato da un nucleo che contiene protoni, neutroni e da elettroni che gli orbitano attorno. Quello che rende instabili i nuclei atomici in un elemento radioattivo è il fatto che le forze interne del nucleo sono sbilanciate. Così, il nucleo stesso prova da solo a raggiungere una stabilità. Come? Emettendo particelle. Parliamo quindi di radionuclidi, o radioisotopi, che emettono energia sotto forma di radiazioni ionizzanti. In fisica si dice che decadono, o meglio, trasmutano, ed esistono tre classi principali di decadimento; dal meno al più assorbente troviamo il decadimento alpha, beta, che è quello osservato da Becquerel, e gamma, a cui si aggiungono l’emissione di neutroni, l’emissione di protoni e la fissione spontanea.





Spiegare però più nel dettaglio questi fenomeni risulta molto difficile anche per chi scrive; sono necessarie, per capirla a fondo, approfondite conoscenze di fisica quantistica e di matematica: un’analisi così dettagliata esula dai nostri scopi nonché dalle mie competenze. Pensiamo invece sia più interessante analizzare quelli che sono gli impieghi che la radioattività ha in campo scientifico. Per esempio, gli isotopi radioattivi vengono usati in archeologia per datare i fossili: vi ricorderete il famoso metodo del carbonio-14, di cui forse avrete sentito a scuola. Ebbene, il carbonio-14 è un isotopo radioattivo, e il metodo che lo utilizza per la datazione radiometrica fu ideato a cavallo tra gli anni ’40 e gli anni ’50 dal chimico Willard Frank Libby, che vinse un Nobel per questa scoperta. Il principio teorico alla base di questo metodo è che il carbonio-14 presente in natura si trasforma per decadimento beta in azoto-14 con un tempo di dimezzamento medio di 5730 anni. Misurando quanto carbonio-14 è presente in un fossile riusciamo a datarlo ad un tempo abbastanza preciso del passato. Facciamo un esempio per capire meglio: fino a quando un organismo è in vita, respira e scambia carbonio-14 in modo continuo con l’ambiente. Quando muore, il carbonio-14 via via sparisce dall’organismo, pertanto ci possiamo mettere a contare quanti nuclei di questo tipo il fossile ha, per meglio capire quando è morto. Se, per esempio, avessimo 100 nuclei di carbonio-14 in un organismo al momento della morte, dopo 5730 anni ne troveremmo la metà, 50.


Spostando il nostro interesse dall’archeologia alla medicina, sappiamo che le radiazioni emesse da numerosi radionuclidi sono strumenti utili per diagnosi e terapie, in specifiche branche che prendono il nome di medicina nucleare e radioterapia. Tra i radionuclidi più utilizzati vediamo il tecnezio-99m, usato come tracciante, lo iodio-123 e iodio-131 usati nella terapia radiometabolica per la tiroide, il fluoro-18 nella PET, la Tomografia a Emissione di Positroni (altro termine con cui sono indicate le particelle beta positive), e ancora, il radio-223 per la terapia delle metastasi ossee. Potremmo andare avanti a lungo. Arrivati a questo punto potreste essere pure piuttosto spaventati dalla presenza di isotopi radioattivi attorno a noi. La loro presenza incontrollata può essere rischiosa, proprio perché le radiazioni possono alterare o danneggiare la struttura delle molecole biologiche generando radicali liberi, e alterando DNA e RNA. Contrariamente a quello che ci si potrebbe aspettare, non sono le centrali nucleari alla Chernobyl i responsabili maggiori: la quasi totalità degli isotopi radioattivi con cui entriamo in contatto infatti non dipende dall’attività umana. C’è il radon-222, proveniente dal decadimento dell'uranio-238, presente nell'aria e nelle falde acquifere, ci sono le radiazioni interne, quelle terrestri, e cosmiche. Non c’è però motivo di andare nel panico: la parola chiave, infatti è “presenza incontrollata”; quindi, basta controllare, monitorare la concentrazione di questi isotopi, attraverso soprattutto studi epidemiologici, per accertarci che essi siano sempre all’interno di valori riconosciuti come sicuri, e altrimenti agire per abbassarli.





Becquerel morì solo 12 anni dopo la sua scoperta, all'età di 55 anni. Sebbene non conosciamo la sua causa di morte, sappiamo che aveva sviluppato gravi ustioni sulla pelle, probabilmente dovute alla manipolazione di materiali radioattivi. Alcuni decenni dopo, anche Marie Curie morì di anemia aplastica, probabilmente a causa dell'esposizione a radiazioni senza adeguate misure di sicurezza. Gli effetti dannosi delle radiazioni ionizzanti, infatti, non erano ancora conosciuti; oggi invece siamo in grado di sfruttare e creare isotopi utili in medicina e in altre discipline, e di controllare, anche attraverso l’uso corretto della legislatura, quelli naturali.


Carlotta Jarach