Marie Curie: biografia e scoperte della scienziata due volte premio Nobel

Marie Curie: biografia e scoperte della scienziata due volte premio Nobel A cura di Brunella Appicciafuoco.

Vita e scoperte della fisica e chimica polacca Marie Curie, premio Nobel per i suoi studi sulle radiazioni

1Biografia di Marie Curie: i primi anni e la formazione

Una foto d'epoca di Marie Curie
Una foto d'epoca di Marie Curie — Fonte: ansa

Maria Salomea Sklodowska nacque a Varsavia il 7 novembre 1867, ultima di cinque figli di Wladislaw Sklodowski (1832-1902) e Bronislawa Boguska (1834-1879), coppia di insegnanti appartenente alla nobiltà decaduta polacca.     

Sin da bambina, Maria si dimostrò dotata di un’intelligenza particolare e di una notevole curiosità, anche stimolata dagli studi da autodidatta in cui la guidava il padre, da cui erediterà anche lo spirito patriottico e l’indole, libera da qualsiasi condizionamento. Oltre che alla scienza, Maria si interessava moltissimo alla letteratura e alle lingue, mostrando, tra le altre, la dote di una memoria eccezionale.     

I gravi lutti che segnarono la vita di Maria (nel 1876 la sorella Zosia morì per tifo e tre anni dopo la madre per tubercolosi) ne determinarono l’allontanamento dalla fede.   

Si diplomò al ginnasio con il massimo dei voti, ottenendo la medaglia d’oro, simbolo di eccellenza, come la sorella Bronia. Nella Polonia russa segnata dagli eventi storici di quel periodo, per le donne vi era l’impossibilità di frequentare gli studi accademici  e quindi per le due sorelle l’unica soluzione possibile in tal senso era rappresentata dal trasferimento in una università estera.   

Rita Levi Montalcini, grande scienziata italiana, premio Nobel per la Medicina
Rita Levi Montalcini, grande scienziata italiana, premio Nobel per la Medicina — Fonte: ansa

Entrambe si trasferirono, anche se in tempi diversi in Francia, più precisamente a Parigi, all’Università della Sorbona. I costi erano elevati rispetto alle potenzialità economiche del padre e quindi Maria diede priorità alla sorella, impegnandosi ad aiutare il padre per il suo mantenimento ed evidenziando comunque l’intenzione di raggiungerla il prima possibile. Maria raggiunse quindi la sorella nel novembre del 1891.    

Di carattere schivo e sempre modesto, Maria era mossa da un’autentica passione per la scienza e riuscì a superare le enormi difficoltà incontrate a Parigi, di natura sia economica che professionale – quest’ultima aumentata anche dal doversi confrontare con una nuova lingua. Alla Sorbona le studentesse rappresentavano poco più del 2% degli iscritti totali e la percentuale di quelle che riuscivano a terminare gli studi era ancora più bassa.  

Marie, come iniziò a farsi chiamare, nel 1893 terminò brillantemente i suoi studi in Fisica. L’idea iniziale era quella di tornare in Polonia e dedicarsi all’insegnamento, ma non andò così. Decise infatti di restare a Parigi e di prendere una seconda laurea – in Matematica.    

1.1L’incontro con Pierre Curie

Pierre e Marie Curie nel loro laboratorio
Pierre e Marie Curie nel loro laboratorio — Fonte: ansa

Pierre e Marie Curie si conobbero nel 1894, e come lei stessa raccontava, nonostante provenissero da paesi profondamente diversi, le loro affinità erano sorprendenti.    

Pierre Curie lavorò a lungo con il fratello Jacques come preparatore nel laboratorio di fisica alla Sorbona. Nel 1883, tale collaborazione si interruppe, perché Jacques fu assunto come mineralogista all’Università di Montpellier e Pierre come professore di Fisica Generale e Teoria dell’Elettricità alla Scuola Superiore di Fisica e Chimica Industriale di Parigi, dove insegnò fino al 1900.    

Quello tra Pierre e Marie Curie divenne ben presto un rapporto quasi simbiotico ed un vero e proprio binomio sul piano scientifico, divenendo l’emblema degli scienziati mossi dal solo interesse per il progresso della scienza e della conoscenza. Si sposarono nel 1895 ed ebbero due figlie, Irène ed Ève Denise.  

1.2Marie Curie e gli studi sulla radioattività naturale

Wilhelm Conrad Roentgen, cui si deve la scoperta dei raggi X
Wilhelm Conrad Roentgen, cui si deve la scoperta dei raggi X — Fonte: getty-images

I coniugi Curie si dedicarono, in un laboratorio di fortuna e con strumenti rudimentali, agli studi nel campo di quella che sarà chiamata radioattività naturale, scoperta da Henri Becquerel (1852-1908) nei sali di uranio.     

Tale scoperta ebbe un enorme successo e catalizzò l’attenzione di ricercatori di tutto il mondo. In particolare, nel 1896 lo scienziato scoprì quasi casualmente che i sali di uranio avevano la proprietà di annerire le lastre fotografiche anche quando queste erano racchiuse in un involucro opaco alla luce. Il fenomeno fu spiegato attribuendo all’uranio la capacità di emettere radiazioni con caratteristiche simili a quelle dei raggi X, scoperti l’anno prima da Röntgen (1845-1923). All’epoca si parlava a tal proposito di “raggi uranici” e rappresentavano ancora un fenomeno sconosciuto.   

Come vedremo, soprattutto grazie al lavoro dei coniugi Curie, ci si rese conto che tale fenomeno non caratterizzava esclusivamente l’uranio ma che esistevano altri elementi in grado di emettere radiazioni.   

Attraverso le loro ricerche, i Curie poterono associare ad altri elementi noti (ad esempio il torio) tali proprietà radianti e scoprirono inoltre gli elementi polonio e radio, molto più attivi in tal senso rispetto all’uranio.   

1.3Uranio

Marie riprodusse gli esperimenti condotti da Becquerel e si servì dell’elettrometro, messo a punto dai fratelli Curie per misurare piccole correnti elettriche nell’aria attraversata dai raggi dell’uranio. Marie notò che la pechblenda, minerale contenente piccole quantità di sali di uranio, manifestava più radioattività dei sali di uranio stessi.   

I coniugi Curie lavorarono duramente, utilizzando tonnellate di pechblenda fatta venire appositamente dalle miniere di St. Joachimsol (Boemia), e dopo molti esperimenti confermarono che gli effetti elettrici dovuti all’uranio erano costanti, indipendenti cioè dallo stato chimico-fisico del materiale e che l’emissione radioattiva era proporzionale alla quantità di uranio presente nel minerale. La radiazione era quindi una proprietà intrinseca dell’uranio.     

1.4Altri elementi radioattivi

Marie Curie formulò l’ipotesi dell’esistenza di altri elementi radioattivi poiché osservò che, estraendo uranio dalla pechblenda, la quantità di radiazione emessa superava di gran lunga i livelli attesi. Aiutata dal marito, sulla base della sua intuizione, Marie riuscì a isolare dalla pechblenda un nuovo elemento radioattivo, il polonio.   

Nei campioni tuttavia, i livelli di radioattività continuavano ad essere ancora troppo alti per poter essere giustificati dalla sola presenza del polonio e dell’uranio. L’unica spiegazione possibile prevedeva quindi l’esistenza di un altro elemento. Marie Curie e suo marito si dedicarono quindi a separazioni via via più raffinate delle sostanze contenute nella pechblenda e riuscirono ad isolare un nuovo elemento, notevolmente più radioattivo dell’uranio, a cui Marie e Pierre diedero il nome radio. La comunicazione dell’esistenza del radio avvenne il 26 dicembre 1898.   

A partire dal 1902 i coniugi si divisero il lavoro: quello di Marie Curie era finalizzato ad isolare il radio e a determinarne il peso atomico, così da poter procedere alla certificazione “ufficiale” di nuovo elemento chimico. Pierre concentrò invece i suoi studi più sull’origine e sul significato di radioattività.  

1.5L’interesse a livello mondiale

La prima radiografia della storia,  datata 23 gennaio 1896, è stata eseguita da Roentgen sulla mano di sua moglie
La prima radiografia della storia, datata 23 gennaio 1896, è stata eseguita da Roentgen sulla mano di sua moglie — Fonte: getty-images

Le ricerche dei coniugi Curie attiravano ormai l’attenzione di altri scienziati, tra cui Frédéric Haudepin - che riuscì ad individuare sempre nella pechblenda un terzo elemento a cui venne dato il nome di attinio - e Ernest Rutherford che si occupava dello studio dei raggi emanati dall’uranio e che nel 1899 concluse che un preparato radioattivo potesse emettere almeno due tipi di radiazioni, diverse per quanto riguarda ad esempio il potere di penetrare la materia.  

1.6Il primo Nobel

Nel 1903 i Curie e Bequerel furono insigniti del premio Nobel per la Fisica per tutti i risultati raggiunti fino a quel momento.   

1.7La cattedra alla Sorbona e il secondo premio Nobel

Nel 1906 Pierre morì tragicamente in un incidente e Marie gli succedette alla Sorbona, risultando la prima donna a ricevere tale incarico. Nel 1911 le fu conferito un secondo premio Nobel – per la Chimica – per essere riuscita ad isolare il radio metallico.    

1.8La morte

Per la continua e massiccia esposizione alle radiazioni, Marie Curie - il 4 luglio del 1934 - morì di leucemia. Viene considerata la prima vittima della forza nucleare che lei stessa aveva contribuito a scoprire.

2Marie Curie e i decadimenti radioattivi

Struttura atomica
Struttura atomica — Fonte: shutterstock

Il nucleo atomico è costituito da protoni e neutroni. Mentre il numero di protoni (numero atomico o Z) è lo stesso per tutti gli atomi di uno stesso elemento, lo stesso discorso non vale per il numero di neutroni. Uno stesso elemento può infatti presentarsi in più forme isotopiche, ovvero è costituito da atomi che si differenziano solo per il numero di neutroni.   

Specie atomiche caratterizzate da un numero definito di protoni e neutroni sono chiamate nuclidi e sono i protagonisti dei fenomeni nucleari.  

Per valori di Z fino a circa 20, i nuclidi più stabili sono caratterizzati da un ugual numero di neutroni e protoni. Al di fuori di quella che si può definire una “fascia di stabilità”, tutti i nuclidi sono radioattivi (radionuclidi) e si tramutano spontaneamente in altri più stabili dando luogo a diversi tipi di emissione radioattiva. L’insieme dei fenomeni che consentono ad un nucleo di arrivare ad una maggiore stabilità viene definito decadimento radioattivo

La velocità di disintegrazione dei nuclidi è data da v=λ N dove λ è la costante di decadimento caratteristica di una data specie e N è il numero di nuclidi presenti. La velocità di decadimento è spesso espressa con il tempo di dimezzamento ovvero l’intervallo di tempo necessario affinché una data quantità di radionuclidi si dimezzi. 

3Le famiglie radioattive naturali

Il nuclide che si forma in un decadimento non è necessariamente stabile, ma può decadere ancora dando luogo ad un altro nuclide (che a sua volta può essere radioattivo) e così via. Un radionuclide può essere dunque il capostipite di una cosiddetta famiglia radioattiva. I più importanti radioisotopi presenti in natura si possono raggruppare in tre famiglie: dell’uranio, del torio e dell’attinio (prendono il nome dal capostipite da cui parte il processo di decadimento).

4Datazione dei materiali contenenti radionuclidi

Uno dei metodi più utilizzati nella datazione dei reperti fossili è il C- 14, che utilizza un isotopo del Carbonio
Uno dei metodi più utilizzati nella datazione dei reperti fossili è il C- 14, che utilizza un isotopo del Carbonio — Fonte: getty-images

La quantità residua di un radionuclide ad esempio in una roccia o in resti di organismi può essere utilizzata per determinarne l’età. Una sostanza radioattiva infatti, essendo caratterizzata da una propria vita media, può essere utilizzata per misurare il tempo. Se ad esempio una roccia contiene U238 la cui vita media è di 4,5 x 109 anni, l’età delle rocce considerate sarà dello stesso ordine di grandezza della vita media dell’elemento radioattivo rilevato. La misura diretta della radioattività residua consente di datare reperti risalenti fino a 10-15.000 anni prima

5Marie Curie e gli effetti biologici della radiazione

Una volta emesse, le radiazioni si muovono attraverso la materia circostante ed hanno una variabile capacità di interagire con essa (come accennato, le diverse componenti della radiazione, quali particelle α e β, hanno una diversa capacità penetrante).  Attraversando la materia, le radiazioni depositano in essa tutta o parte della loro energia provocando diversi effetti fisici, come la ionizzazione. Le radiazioni ionizzanti sono appunto quelle capaci di interagire con gli atomi che colpiscono “staccandone” gli elettroni e formando così ioni.   

Due delle vittime del disastro nucleare di Chernobyl ricevono un trattamento di decontaminazione
Due delle vittime del disastro nucleare di Chernobyl ricevono un trattamento di decontaminazione — Fonte: getty-images

Gli effetti delle radiazioni sono quindi dovuti alla cessione della loro energia alla materia attraversata. I tessuti biologici possono così subire danni che sono relazionabili al tipo di radiazione e all’energia assorbita per unità di massa. L’effetto biologico prodotto varia inoltre a seconda del tessuto o dell’ organo che viene irradiato. Le modifiche causate a livello dei tessuti biologici possono essere sia a lungo termine che a breve temine.   

È importante comunque ricordare che “La radioattività è una caratteristica intrinseca del pianeta Terra. L’ambiente in cui viviamo e molte delle sostanze con le quali siamo a contatto ogni giorno  sono radioattive per cause naturali. Lo stesso corpo umano ha un contenuto di radioattività naturale che non può essere eliminato. Tutto ciò non comporta conseguenze negative sulla salute delle persone. La radioattività naturale varia infatti enormemente da una zona all’altra della Terra senza che a ciò corrispondano effetti biologici o sanitari negativi.  

La notevole diffusione delle applicazioni della radioattività nei campi dell’energia, dell’industria, della medicina, della ricerca, della sicurezza e dell’ambiente ha portato allo sviluppo della Radioprotezione, disciplina finalizzata alla tutela dell’uomo e dell’ambiente che si fonda su principi e metodologie definite e condivise a livello internazionale. Il rispetto dei principi e delle norme di radioprotezione consente ai paesi industriali di utilizzare le tecnologie nucleari senza alcun pericolo per l’uomo e per l’ambiente” (Fonte AIN – Associazione Italiana Nucleare). 

La radiazione naturale di fondo (presente ovunque) comprende:  

  • I raggi cosmici, costituiti da radiazioni primarie emesse dai corpi stellari e in minor misura dal Sole
  • I radioisotopi cosmogenici, isotopi radioattivi molto diffusi, come l’idrogeno-3 (trizio) e il carbonio14, che si producono per effetto dell’interazione dei raggi cosmici con l’atmosfera e con la superficie terrestre;
  • I radioisotopi primordiali, isotopi radioattivi altrettanto diffusi, presenti fin dall’epoca di formazione del sistema solare e non ancora decaduti in forme stabili.

Della vita non bisogna temere nulla. Bisogna solo capire.

Marie Curie