Soddy e la scoperta degli isotopi

a cura di Giorgio Nebbia, Socio Onorario della SCI, nebbia@quipo.it

da La Gazzetta del Mezzogiorno, martedì 3 dicembre 2013

Frederick_SoddyUna breve “lettera”, data 4 dicembre 1913, pubblicata dalla rivista inglese “Nature” da Frederick Soddy (1877-1956), docente nell’Università scozzese di Glasgow, ha rivoluzionato la chimica, la fisica, la storia e l’ambiente. Lo ricorda, a un secolo di distanza, il noto storico americano della chimica George Kauffman. Soddy aveva a lungo lavorato sulla radioattività, scoperta pochi anni prima dai coniugi Curie in Francia, collaborando in Canada col chimico Ernst Rutheford (1871-1937), premio Nobel 1908. Rutheford e Soddy riconobbero che la radioattività consisteva nella “disintegrazione” degli atomi, in trasmutazioni, come le battezzò Soddy prendendo a prestito un termine usato dagli alchimisti medievali i quali rincorrevano il sogno di trasmutare i metalli vili in oro. Gli esperimenti avevano mostrato che dalla disintegrazione dell’uranio e del torio si formavano elio e altri elementi, fino al piombo.

sodddy4dic1913

Nature 92, 399–400; 423 (1913)

Però il piombo ottenuto con queste reazioni aveva un peso atomico diverso da quello del piombo estratto dai minerali. Il piombo esisteva, quindi, in due forme differenti, pur avendo lo stesso comportamento chimico. Nella sua lettera a “Nature” Soddy chiamò tali diverse atomi dello stesso elemento, “isotopi”, nome formato da due parole greche, isos, che significa uguale e topos che significa posto; atomi che occupavano la stessa casella nella tabella degli elementi di Mendeleev pur essendo differenti [Nota]. La scoperta di Soddy, che ebbe il premio Nobel per la chimica nel 1921, scatenò una caccia agli isotopi esistenti in natura.

Dopo un secolo oggi sappiamo che dei 115 elementi chimici esistono circa duemila isotopi; alcuni atomi hanno due o tre isotopi, altri oltre dieci isotopi, alcuni abbondanti, altri rari, altri sono stati ottenuti artificialmente. Ad esempio l’idrogeno, che ha peso atomico uno, ha due isotopi con peso atomico due (deuterio) e tre (trizio); facendo scontrare il deuterio e il trizio ad alta temperatura e pressione, si libera, per “fusione nucleare”, una grandissima quantità di energia (la reazione che si ha nelle bombe termonucleari) con formazione di uno o due isotopi dell’elio. Lo zucchero, quei bei cristalli bianchi che si mettono nel caffè, contiene l’elemento carbonio con differenti quantità dei due isotopi con peso atomico 12 e 13, a seconda che sia fabbricato dalla barbabietola o dalla canna.

Misurando la concentrazione dell’isotopo 14 del carbonio si può sapere se un tessuto o un foglio di carta sono stati fabbricati cinquanta o cinquecento anni fa. L’elemento uranio è presente in natura con vari isotopi, ma solo quello con peso atomico 235 è fissile nel senso che subisce fissione, dopo essere stato urtato dai neutroni, e libera energia per ”fissione nucleare”, quella delle bombe e delle centrali atomiche. Per farla breve la scoperta dell’esistenza degli isotopi ha permesso di risolvere moltissimi problemi pratici e ha permesso di comprendere il “funzionamento” di innumerevoli processi naturali.

Durante le sue ricerche sulla radioattività Soddy si rese conto di quanta energia fosse “contenuta” in alcuni atomi e pensò che questa energia avrebbe potuto essere messa al servizio delle necessità umane ma avrebbe anche potuto essere usata come strumento di distruzione. Una idea che Soddy espose nel 1912 nel libro “Materia ed energia” che allora ebbe un grande successo. Lo scrittore H.G.Wells (1866-1946) si ispirò al libro di Soddy per il romanzo di fantascienza,”Il mondo liberato”, in cui per la prima volta è usato il termine “bomba atomica”.

Intanto si stava avvicinando la prima guerra mondiale (1914-1919), la grande carneficina che scosse molto Soddy, impressionato dal ruolo che “la scienza” aveva avuto nella preparazione di armi sempre più devastanti. Soddy decise di dedicarsi alla denuncia dei pericoli rappresentati dall’uso improprio delle conoscenze scientifiche; i due decenni fra la prima e la seconda guerra mondiale (1939-1945) lo videro impegnato nello studio di forme alternative di economia come quelle espresse nel poco noto saggio sulla “Economia cartesiana” del 1921.

Soddy propose differenti metodi, basati sull’energia, di valutazione degli scambi economici, espresse una critica del Prodotto Interno Lordo e riconobbe l’importanza ”economica” dell’energia solare e dell’agricoltura, l’industria più importante proprio perché “alimentata” dall’energia solare. Soddy fu il primo a indicare, sulla base di conoscenze fisiche e chimiche, che le risorse terrestri sono limitate e che l’economia sarebbe andata incontro a dei limiti, una dimenticata anticipazione di quanto sarebbe stato scritto, molti anni dopo, sui limiti alla crescita e sulla “decrescita”.

Soddy ottenne la cattedra di chimica a Oxford nel 1919, ma nel mondo accademico fu sempre considerato “strano” per le sue incursioni in campi non strettamente chimici. Soddy si mise in pensione anticipatamente nel 1936, dopo la morte dell’amata moglie, e morì nel 1956 a 79 anni, amareggiato per la poca attenzione ricevuta dai suoi studi. Una attenta lettura dei suoi scritti (pochi tradotti in italiano) permette invece di riconoscerlo come un precursore dell’analisi dei problemi ambientali attuali, come ha messo in evidenza lo storico Martinez-Alier nel suo libro “Economia ecologica”. Per questo, oltre che per la sua scoperta degli isotopi, Soddy meriterebbe di essere meglio conosciuto e studiato se si vuole capire qualcosa di quanto ci sta aspettando.

[Nota]: più tardi si scoprì che la differenza consisteva nel diverso numero di neutroni a parità di protoni (numero Z) per gli isotopi, ma che esistono anche atomi con ugual numero complessivo di nucleoni, ossia somma di neutroni e protoni, un numero che è indicato come numero di massa dell’atomo (numero A), mentre il simbolo usato per i neutroni è N, quindi A=Z+N; in tal caso gli atomi non occupano la medesima casella del sistema periodico, ma hanno masse molto molto simili, la cui differenza si apprezza solo con tecniche che danno un elevato numero di cifre significative. In effetti il numero di massa A è un numero intero adimensionale, mentre la massa è una grandezza dotata di unità di misura ed è influenzata non solo dai numeri assoluti delle particelle ma anche dalla energia di legame per nucleone, a causa della equivalenza fra massa ed energia. Una tabella che fa apprezzare tali distinzioni è la seguente:

http://physics.nist.gov/cgi-bin/Compositions/stand_alone.pl

dove il primo numero è Z, il secondo simbolo è quello dell’elemento o dell’isotopo, ed il terzo numero è il numero di massa, A, (di solito scritto in alto a sinistra, come in AX).

f1big

Nella medesima tabella la massa atomica relativa (espressa come rapporto fra la massa assoluta e la cosiddetta uma, 1,660 538 921(73)x 10-27 kg) di ciascun isotopo è il numero a molte cifre scritto in quarta colonna e privo di unità di misura; il cosiddetto peso atomico standard che è la combinazione lineare dei prodotti delle masse atomiche relative secondo le loro abbondanze è indicato infine nella penultima colonna.

La differenza di massa atomica relativa fra 3H e 3He è di 2*105 con l’elio che pesa meno del trizio. Viceversa il 58Fe pesa meno del 58Ni. Tutti questi dettagli sarebbero venuti dopo nella storia della Chimica.

Si veda anche la seguente:

http://it.wikipedia.org/wiki/Tabella_degli_isotopi

Vale anche qui la pena di ricordare che il Numero di Avogadro è il rapporto fra il grammo e la uma e quindi non è una costante “naturale”, ma piuttosto una costante che dipende dal rapporto arbitrario fra due umanissime unità di misura, il grammo e la uma.

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