Scienziate che avrebbero dovuto vincere il Premio Nobel: Ida Noddack (1896-1978)

Rinaldo Cervellati

È il titolo di un articolo insolitamente lungo per gli standard di Chemistry & Engineering News che sostanzialmente riporta l’intervento di Magdolna Hargittai alla riunione dell’American Chemical Society tenutasi a Washington lo scorso mese di agosto. Hargittai, autrice del libro Women Scientists (Oxford University Press, Oxford, 2015) osserva che dalla sua istituzione nel 1901 a oggi sono solo 17 le donne cui è stato assegnato il Nobel per fisica, chimica e medicina. In particolare, per quanto riguarda la chimica sono 4 su 175 le donne che l’hanno ricevuto: Maria Curie (l’unica persona a vincere anche quello per la fisica), Irène Joliot-Curie, Dorothy Crowfoot Hodgkin e Ada E. Yonath.

Questo fatto non è una novità, ricordo in particolare l’ottima esposizione “Nobel Negati alle Donne di Scienza”, tenutasi a Palazzo Alberti di Rovereto dal 24 novembre 2010 al 13 marzo 2011

http://www.museocivico.rovereto.tn.it/UploadDocs/3370_NOBEL_NEGATI.pdf

patrocinata anche dall’Università di Trento.

Anche se non tutti sono d’accordo sui nomi delle scienziate che avrebbero dovuto vincere il Nobel resta il fatto che solo il 3% delle persone cui è stato assegnato sono donne. Molti ritengono che nella scienza molte importanti scoperte siano state fatte da donne che avrebbero potuto vincere il Premio Nobel. Nel libro “European Women in Chemistry” (Wiley-WCH, 2011) sono riportate le biografie di più di 50 scienziate europee che avrebbero dovuto o potuto ricevere il Premio Nobel per la chimica. Mi sembra doveroso ricordare alcune di queste protagoniste.

In questo post inizierò con Ida Noddack anche perché criticò una “scoperta” di Fermi.

Ida Tacke Noddack nasce nel febbraio 1896, terza figlia di un fabbricante di vernici, a Wesel in Renania. A 16 anni è accettata al Ginnasio S. Orsola di Aquisgrana, dopo aver superato l’esame finale è ammessa alla facoltà di chimica del Politecnico di Berlino, dove consegue prima il diploma (1919), poi il dottorato (1921) discutendo una tesi sulle anidridi e gli acidi grassi ad alto peso molecolare. Continua questa ricerca nelle industrie AEG e Siemens&Halske, è la prima donna impegnata in ricerche industriali.

Ida Noddack

Durante questo lavoro si specializza in spettrografia a raggi X; la determinazione di elementi in tracce, della loro origine e abbondanza in natura, sono i suoi principali campi di interesse.

Ottiene ottimi risultati nell’analisi quantitativa di elementi in minerali e rocce definendo nuovi metodi di separazione e arricchimento.

Nel 1922 ottiene un posto di visiting scientist nel prestigioso Istituto Fisico-Tecnico di Berlino, dove il direttore del laboratorio di chimica è il Dr. Walter Noddack. Con lui inizia la sua ricerca sugli elementi nelle caselle che rimanevano ancora vuote nella Tavola Periodica. In particolare sugli elementi 43 e 75, sopra e sotto il manganese, dei quali forniscono previsioni precise di massa, punti di fusione, colori e forme cristalline nonché proprietà chimiche.

Dopo vari tentativi falliti, Ida utilizzando un nuovo spettrometro a raggi X della Siemens&Halsk riuscì, insieme a Otto Berg, a identificare le righe spettrali caratteristiche di due nuovi elementi nei minerali coulombite, gadolinite e molibdenite [1]. Essi chiamarono renio l’elemento 75 (dal nome della regione di provenienza di Ida) e masurio (dal nome masuria, regione di provenienza di Walter) l’elemento 43, la scoperta fu comunicata a diversi congressi e presto arrivò anche alla stampa. Il nome masurio fu criticato perché troppo patriottico (la Masuria è stata sempre contesa da tedeschi e polacchi), inoltre lo spettro del presunto masurio non risultò riproducibile e quindi non attribuito[1].

Il renio fu poi definitivamente confermato nel 1928 quando, partendo da 660 kg di molibdenite, i due scienziati ottennero 1 g di renio [2].

Campioni di renio

Durante questo periodo Ida Tacke e Walter Noddack si sposarono continuando la collaborazione professionale, pubblicando insieme più di 100 articoli scientifici. Ida e Walter Noddack studiarono le caratteristiche, le proprietà e le possibili applicazioni pratiche del renio, brevettandolo in diversi Paesi per il suo utilizzo come ricoprente dei filamenti di lampade, come catalizzatore in taluni processi di ossidazione, nei tubi a vuoto, nonché in nuovi processi di arricchimento e concentrazione. Per tutto ciò ai Noddack fu assegnata nel 1931 la prestigiosa Medaglia Liebig della Società Chimica Tedesca.

Dopo la scoperta del neutrone, Fermi e collaboratori iniziarono a usare una sorgente di queste particelle per bombardare i nuclei degli elementi e studiare gli effetti prodotti, in particolare la radioattività artificiale che già i coniugi Joliot-Curie avevano rilevato utilizzando però particelle α come proiettili. Fermi riteneva a ragione che particelle neutre fossero più efficaci di quelle cariche positivamente. Nel maggio1934, dopo aver bombardato tutti i precedenti, il gruppo di Fermi giunse all’ultimo elemento noto, l’uranio osservando una serie di successivi decadimenti radioattivi di lunga durata. Insieme ai suoi collaboratori presenta quindi una nota preliminare (25 maggio) che si conclude così:

Questo insieme di conclusioni che stiamo cercando di suffragare con ulteriori esperienze fa sorgere spontanea l’ipotesi che il principio attivo dell’U possa avere numero atomico 93 (omologo del renio); il processo in questa ipotesi potrebbe consistere in una cattura del neutrone da parte dell’U con una formazione di un U239 il quale subirebbe successivamente delle disintegrazioni β. [3]

Qui appare una cautela di Fermi e del suo gruppo di fisici che intendono suffragare l’ipotesi…

Ma nemmeno un mese dopo questa nota (3 giugno), Orso Mario Corbino[2], mèntore del gruppo, in un discorso sullo stato della fisica all’Accademia dei Lincei, dice:

Per quello che può valere la mia opinione sull’andamento di queste indagini, che ho quotidianamente seguito, credo di poter concludere che la produzione di questo nuovo elemento è già sicuramente accertata. Il risultato ottenuto, cioè la creazione dell’elemento 93, è di grande importanza… si tratta… della fabbricazione artificiale di un elemento nuovo, situato al di fuori della serie degli elementi conosciuti sulla Terra.[4]

Pochissimi giorni dopo (6 giugno), focalizzando l’attenzione sul più lungo decadimento β e avendo escluso che fosse dovuto a una serie di elementi fra cui il piombo, i soli Fermi, Rasetti e d’Agostino[3], scrivono una seconda nota:

Da questo complesso di prove negative sembra plausibile considerare la possibilità già enunciata che il numero atomico dell’elemento in questione sia maggiore di 92. Se fosse un elemento 93, esso sarebbe omologo del Manganese e del Renio. Questa ipotesi è confermata in qualche misura dal fatto osservato che l’attività di 13 minuti è trascinata da un precipitato di solfuro di Renio insolubile in HCl.[5]

Quel ”ipotesi è confermata” fa quasi trascurare la frase successiva: … poiché molti elementi pesanti precipiterebbero in questa forma, questa prova non può considerarsi molto dimostrativa. Certamente, come vedremo, Ida Noddack non la trascurerà.

Fermi comunque invia (16 giugno), questa volta solo a suo nome, una lettera alla prestigiosa rivista Nature [6]. Questa lettera, chiaramente indirizzata a una platea internazionale la più vasta possibile, è praticamente la traduzione inglese della nota [5]. I concetti espressi nel corsivo precedente sono identici in inglese: this negative evidence… suggests the possibility that the atomic number of the element may be greater than 92. [6, p. 899]

Venuta a conoscenza dell’articolo di Fermi su Nature e del rilievo dato alla “scoperta” dalla stampa italiana e internazionale, Ida Noddack pubblica un articolo fortemente critico sulla rivista di chimica Zeitschrift fur Angewandte Chemie [7].[4]

Dopo aver brevemente riassunto i metodi e i risultati di Fermi, Noddack scrive:

Questo metodo di prova non è valido. Fermi ha confrontato il suo nuovo emettitore β con diversi altri elementi verso il basso. Ciò indica che ha pensato che fosse possibile una serie di decadimenti consecutivi… che potessero produrre il radioelemento con emivita di 13 minuti. Non è chiaro …perché ha scelto di fermarsi al piombo. La vecchia visione che gli elementi radioattivi formano una serie continua che termina al piombo è proprio ciò che gli esperimenti precedentemente citati di Curie e Joliot avevano smentito. Perciò Fermi avrebbe dovuto confrontare il suo nuovo radioelemento con tutti gli elementi che emettono radiazioni. È noto dalla chimica analitica che numerosi elementi [e loro composti] precipitano con il biossido di manganese.

Per testare come i vari elementi si comportano con il metodo di precipitazione di Fermi, abbiamo eseguito i seguenti esperimenti… Il precipitato conteneva i seguenti elementi: Ti, Nb, Ta, W, Ir, Pt, An e Si con quasi la quantità totale di ciascun elemento in soluzione; Sb, Ph, Bi, Ni e Co con quantità parziali.

Pertanto, la prova che il nuovo radioelemento ha numero atomico 93 non è in alcun modo soddisfacente, poiché il metodo di eliminazione di altre possibilità non è stato portato a termine. [7]

Dice poi:

Si potrebbe assumere altrettanto bene che quando vengono utilizzati neutroni… si verificano alcune reazioni nucleari nuove che non sono state osservate in precedenza bombardando i nuclei atomici con protoni o particelle α. Nel passato si è scoperto che le trasmutazioni dei nuclei avvengono solo con l’emissione di elettroni, protoni o nuclei di elio, in modo che gli elementi pesanti cambiano la loro massa solo di poco producendo elementi vicini. Quando i nuclei pesanti vengono bombardati con neutroni, è possibile che il nucleo si rompa in diversi frammenti di grandi dimensioni, che sarebbero naturalmente isotopi di elementi noti ma non così vicini all’elemento irradiato.[7]

È spesso riportata solo l’ultima frase di questo paragrafo, per dire che Noddack ipotizzò la fissione nucleare senza alcuna base e, anche per questo, fu praticamente ignorata per cinque anni. In realtà, se la si legge interamente si osserva che l’ipotesi, anche se priva di fondamenti teorici, si basava su osservazioni di trasmutazioni osservate in precedenza con emissione di particelle diverse.

A proposito della presunta precipitazione insieme al solfuro di Renio, Noddack Scrive:

La constatazione che il nuovo radioelemento precipiterebbe insieme al solfuro di renio da una soluzione acida non è una prova a favore dell’elemento 93. In primo luogo, il solfuro di renio assorbe facilmente altri materiali. In secondo luogo, la previsione delle probabili proprietà del 93 renderebbe assolutamente certo che questo elemento forma un solfuro che è stabile in soluzione acida. [7]

Infine, un’ultima bacchettata:

Si dovrebbero aspettare ulteriori esperimenti, prima di sostenere che l’elemento 93 è stato veramente trovato. Fermi stesso è attento a questo proposito… ma in un articolo relativo ai suoi esperimenti e anche nelle relazioni che si trovano sui giornali si fa apparire come il risultato sia già certo[5]. [7]

Per completezza, l’articolo di Noddack è critico anche verso Odolen Koblic, un chimico cecoslovacco che pubblicò nello stesso anno una nota in cui affermava di aver scoperto e isolato il nuovo elemento 93 da un minerale di uranio chiamato pitchblenda[6] che avrebbe contenuto circa l’1% dell’elemento, che fu chiamato boemio [8]. Anche questa “scoperta” fece il giro di tutto il mondo. Ma Koblic inviò due campioni del materiale a Noddack per verificare la presenza del boemio, che giunse a queste conclusioni:

sia l’analisi chimica sia gli spettri a raggi X hanno mostrato che il materiale non contiene l’elemento 93; si tratta invece di una miscela di argento, tallio, vanadato e sali del tungsteno, con acido tungstico in eccesso. Dopo essere stato informato di questi risultati, Koblic … ha ritirato le sue rivendicazioni alla scoperta dell’elemento 93 (Chemiker Zeitung, 1934, 58, 683). [7]

La comunità dei fisici giudicò l’ipotesi di Noddack inaccettabile se non addirittura ridicola, persino Otto Hahn e Lise Meitner [9], che in seguito (1939) scoprirono la fissione nucleare si schierarono apertamente dalla parte di Fermi. Noddack inviò il suo articolo a Fermi, il quale lo rigettò senza replicare. Questo atteggiamento fu dovuto anche a quella che i fisici giudicarono una indebita ingerenza dei chimici in un loro campo di ricerca, lo studio del nucleo atomico.

Fermi ottenne il Premio Nobel per la fisica nel 1938 con la seguente motivazione:

“per la sua dimostrazione dell’esistenza di nuovi elementi radioattivi prodotti da irraggiamento neutronico, e per la relativa scoperta delle reazioni nucleari indotte da neutroni lenti”.

Cioè paradossalmente non per i suoi indubbi meriti in fisica teorica e sperimentale, ma per la misinterpretazione di un esperimento. Ancora nel 1938, in occasione del conferimento del Premio, nella Nobel lecture egli dice:

Concludemmo che i responsabili di tali attività fossero uno o più elementi di numero atomico maggiore di 92; a Roma eravamo soliti chiamare gli elementi 93 e 94 rispettivamente Ausonio ed Esperio.[10]

Dieci giorni dopo la Nobel lecture di Fermi, la scoperta di questi elementi «transuranici» fu confutata da Otto Hahn e Fritz Strassmann e interpretata in termini di un’avvenuta disintegrazione del nucleo di Uranio in due grossi frammenti (http://www.chemteam.info/Chem-History/Hahn-fission-1939a/Hahn-fission-1939a.html). Prima che la lecture fosse stampata Fermi aggiunse la nota: …la scoperta di Hahn e Strassmann “rende necessario riesaminare tutta la questione degli elementi transuranici, poiché molti di essi potrebbero essere dovuti alla disintegrazione dell’uranio” [10].

Né Hahn, né Strassmann né Fermi accennano che l’ipotesi fu fatta quasi cinque anni prima da Ida Noddack.

93. Leone e N. Robotti [11], che hanno studiato in dettaglio appunti e quaderni di laboratorio del Gruppo dei “ragazzi di via Panisperna” ritengono che Fermi e collaboratori sin da subito [28 aprile] propendessero per l’ipotesi che l’attività da 13 minuti fosse attribuibile a un elemento avente Z = 93. Gli esperimenti decisivi iniziarono l’8 maggio 1934, e già il giorno stesso essi esplicitamente introdussero il neologismo «Ausonio» per l’ipotizzato nuovo elemento chimico.[11]

Gli stessi autori ci informano delle reazioni di Noddack alla scoperta di Hahn e Strassmann. In un articolo del 1939 scrive:

1. Hahn e L. Meitner hanno continuato le ricerche di Fermi. […] nella loro prima pubblicazione essi dissero […] in accordo con Fermi, che molto probabilmente si trattava di elementi al di là dell’uranio. Essi assunsero, come Fermi in precedenza, che si potessero ottenere solo elementi vicini all’uranio. Essi non hanno citato la mia critica degli esperimenti di Fermi né nella loro prima pubblicazione, né in una delle loro numerose successive pubblicazioni sulla trasformazione artificiale dell’uranio mediante neutroni.[12, cit in 11].

Tuttavia il solo Otto Hahn fu insignito del Nobel per la Chimica nel 1944, e soltanto molto tempo dopo ammise in una trasmissione radiofonica che Ida Noddack aveva avuto ragione, queste parole furono riportate dalla stampa, ad es. da Rehinische Post nel 1971.[13]

Nel 1935, in seguito all’espulsione dei docenti ebrei dalle università tedesche, Walter Noddack fu chiamato a ricoprire la cattedra di Chimica Fisica all’Università di Friburgo, Ida pure si trasferì con tutto il laboratorio.

Ida Noddack nel suo laboratorio

Nel 1941 i Noddack passarono all’Università di Strasburgo che, dopo l’occupazione tedesca era in mano a professori membri del partito nazionalsocialista. Sebbene Noddack non fosse mai stato iscritto al partito nazista gli fu affidata la direzione degli Istituti di Chimica e di Fisica. Nel 1944, l’invasione degli alleati costrinse i Noddack a lasciare la città per un piccolo villaggio. L’anno successivo, finalmente assolti dall’accusa di nazismo, i Noddack si stabilirono a Bemberg, dove Walter fondò un Istituto di Geochimica[7] e Ida poté continuare le sue ricerche sulla relazione fra l’abbondanza degli elementi e le ipotetiche proprietà dei nuclei atomici.

Una dettagliata storia di queste ricerche si trova in un lungo e articolo di G.M. Santos [14].

Quindi, Ida Noddack incontrò molti ostacoli nella sua vita professionale a causa del suo genere e anticonformismo, del risentimento dei fisici per l’intrusione nel loro campo, di quello dei chimici per la presunta scoperta del masurio (peraltro ancora oggetto di controversia) e per l’oggettiva difficoltà di fare ricerca durante e dopo il regime nazista.

Infatti Noddack, seppure riconosciuta sia dal marito sia da tutti quelli che hanno collaborato con lei come principale responsabile delle scoperte del gruppo e nonostante candidata al Nobel per quattro volte (1932, 1933, 1935, 1937), non lo ottenne mai.[8] Muore nel 1978.

Bibliografia

[1] W. Noddack, I. Tacke, O. Berg, “Die Ekamangane”. Naturwissenschaften, 1925, 13, 567–574.

[2] W. Noddack, I. Noddack, Die Herstellung von einem Gram Rhenium, Zeitschrift für anorganische und allgemeine Chemie (in German). 1929, 183, 353–375.

[3] E. Amaldi, O. D’Agostino, E. Fermi, F. Rasetti ed E. Segrè, Radioattività beta provocata da bombardamento di neutroni III, Ric. Scient., 1934, 5, 452-53.

[4] O. M. Corbino, Prospettive e risultati della fisica moderna, Ric. Scient., 1934, 5, 609-19.

[5] E. Fermi, F. Rasetti e O. D’Agostino, Sulla possibilità di produrre elementi di numero atomico maggiore di 92, Ric. Scient., 1934, 5, 536-37.

[6] E. Fermi, Possible production of elements of atomic number higher than 92, Nature, 1934,133, 898-99.

[7] I. Noddack, Uber das Element 93, Z. Angew. Chem., 1934, 47, 653-655. Engl. Transl. On Element 93, http://www.chemteam.info/Chem-History/Noddack-1934.html

[8] O. Koblic, Chemiker Zeitung, 1934, 58, 581; trad. Ingl: A. Stern,. The new element bohemium the origin of proto-actinium, Chemistry and Industry, 1934, 53, 678-679.

[9] O. Hahn, L. Meitner, Über die künstliche Umwandlung des Urans durch Neutronen (Sulla trasformazione artificiale dell’uranio da parte di neutroni), Naturwiss., 1935, 23, 37-38.  

[10] E. Fermi, Artificial radioactivity produced by neutron bombardment. Nobel Lecture, December 12, 1938, in Physics 1922-1941, Nobel Lectures, Elsevier, Amsterdam-London-New York 1965

[11] M. Leone, M. Robotti, Enrico Fermi e la presunta scoperta dei transuranici, in: Atti del XXIII Congresso di Storia della Fisica e dell’Astronomia, Bari, 5-7/6/2003, Progedit, Bari, 2004, pp. 231-244. http://www.brera.unimi.it/sisfa/atti/2003/231-244LeoneBari.pdf

[12] I. Noddack, Bemerkung zu den Untersuchungen von O. Hahn, L. Meitner und F. Strassman über die Produkte, die bei der Bestrahlung von Uran mit Neutronen entstehen, Angew. Chem., 1939 27, 212-13.

[13] G. Dragoni, Donne e Scienza, INFN Sezione di Bologna, 15/3/2008. http://www.scienzagiovane.unibo.it/nobelnegati/pdf/Noddack2.pdf

[14] G.M. Santos, A Tale of Oblivion: Ida Noddack and the ‘Universal Abundance?’ of Matter, Notes Rec., 2014, 68, 373–389.

[1] L’elemento 43 fu prodotto artificialmente nel 1937 da Carlo Perrier ed Emilio Segré nei laboratori di fisica dell’Università di Palermo e fu chiamato tecnezio dal greco τεχνητός che significa artificiale. È stato il primo elemento prodotto artificialmente, ritenuto a lungo non esistente in natura. In anni più recenti è stato individuato sia all’interno che all’esterno del sistema solare.

[2] Orso Maria Corbino (1876-1937) fisico e politico italiano fu tecnico e manager politico nel settore idroelettrico. Ministro dell’Istruzione nel Governo Bonomi e poi dell’Economia Nazionale nel 1923-24, fu Direttore dell’Istituto di Fisica di via Panisperna è stato il protettore e mentore di Fermi e del suo gruppo. Presidente della Società italiana delle scienze e di quella di Fisica.

[3] Rasetti, Amaldi, Segré sono noti a tutti, il meno noto è Oscar D’Agostino (1901-1975) chimico del gruppo. Inizia a collaborare con Fermi nel 1933, trascorre un periodo di studi all’Istituto del Radio di Parigi dove si specializza nell’analisi degli elementi radioattivi. Tornato in Italia nel 1934 collabora attivamente con Fermi fino al 1937. Prosegue le sue ricerche prima al CNR e poi all’Istituto Superiore di Sanità.

[5] Noddack si riferisce qui a un trafiletto apparso il 9 giugno 1934 su Nature (133, 863) che riporta parte di un articolo de Il Giornale d’Italia del 5 giugno in cui si afferma che “Fermi ha prodotto il nuovo elemento 93” Il trafiletto fa seguito all’articolo di Fermi su Nature [6].

[6] Lo stesso minerale dal quale Marie e Pierre Curie isolarono polonio e radio.

[7] L’Istituto di Geochimica fu riconosciuto e nazionalizzato entrando a far parte degli istituti di ricerca della Repubblica Federale Tedesca nel 1956.

[8] Durante la seconda guerra mondiale, i Noddack hanno prodotto solo una sola pubblicazione, un libro sullo sviluppo e la crescita della scienza chimica. Quel libro sembrava descriverli come tedeschi patriottici che non mostravano alcun entusiasmo per il governo nazista della Germania. Scrivevano che “… la maggioranza degli stati ha fatto grandi sforzi per portare la loro scienza e la chimica al livello dei tedeschi”. Ma dicono che la “lotta … è combattuta con le armi dell’intelletto” aggiungendo che il futuro sarà determinato dall’”istruzione”. Per implicazione, la vittoria militare nella guerra era meno importante della crescita dell’intelletto e dell’istruzione. http://www.encyclopedia.com/women/encyclopedias-almanacs-transcripts-and-maps/noddack-ida-1896-1978