Scoperte e controversie: storie raccontate dagli elementi chimici Understand article

Come avvengono le scoperte nelle scienze? Nonostante le storie popolari che raccontano i ‘momenti eureka’, la realtà è normalmente molto più complessa.

Tutti conoscono le storie del progresso scientifico che terminano con un ‘momento eureka’, quando l’eroico scienziato fa la famosa scoperta. Come racconta la leggenda di Archimede – colui che ha esclamato ‘eureka!’ dopo aver scoperto le leggi del galleggiamento nella sua vasca da bagno -, queste storie ricordano una persona brillante, in un particolare tempo e momento.

Il chimico Russo Dmitri Mendeleev quando scoprì il sistema periodico degli elementi venne ricordato nello stesso modo-con tutti gli elementi che si andavano a collocare in un ordine significativo in relazione al loro peso atomico e alle proprietà chimiche. Nella realtà, il processo di costruzione della tavola periodica degli elementi richiese molte decadi, includendo anche molte scoperte scientifiche che però non portarono a nulla. Quindi, cos’è una scoperta scientifica, e quanto è fedele il resoconto dei fatti storici?

In questo articolo, daremo uno sguardo da vicino alla realtà della scoperta scientifica, con particolare attenzione alle storie di alcuni elementi chimici. Vedremo anche alcuni aspetti meno noti di queste scoperte, i resoconti dei quali illustrano la complessità intrinseca di ogni storia della scoperta nelle scienze, sia storicamente che attualmente. 

Scoperta e nazionalità

Una frequente area di complessità riguarda l’attribuzione della scoperta di un elemento chimico ad uno specifico paese. Questa idea è rappresentata graficamente nella figura 1: una versione della tavola periodica che mostra il paese in cui si è scoperto ciascun elemento.

Tale rappresentazione suggerisce che vi è un momento esatto in cui si è verificata la scoperta di ogni elemento (forse con un sottofondo di competizione nazionale). Qui di seguito, per esempio, il radio (88) e il polonio (84) sono attribuite alla Francia. Mentre è vero che le scoperte avvennero in Francia, la principale ricercatrice, Marie Skłodowska Curie, era Polacca, e l’uranite dalla quale furono estratte queste nuove sostanze proveniva da una città che oggi si trova nella Repubblica Ceca, che allora faceva parte dell’impero Astro-Ungarico.

Il cambiamento della mappa geopolitica causa ambiguità anche nel caso del tellurio (52). Questa scoperta viene indicata con la bandiera della Romania, poiché Francesco Giuseppe Müller von Reichenstein, che per primo sospettò la presenza di un metallo ignoto nei minerali dal quale questo elemento fu successivamente estratto, e il minerale stesso, provenivano entrambi da un luogo che ora è in Romania. Tuttavia, la Romania allora faceva parte dell’impero Astro Ungarico. L’attribuzione della scoperta a von Reichenstein è anch’essa controversa, dato che il tellurio fu isolato per la prima volta nel 1789 dal chimico tedesco Martin Heirich Klaproth, che propose il nome (Weeks, 1968). Ma anche l’attribuzione della scoperta alla Germania sarebbe problematico, poiché la Germania sarebbe nata come nazione ottanta anni dopo. 

Ossigeno: una scoperta – o tre?

Un elemento per il quale la controversia sulla scoperta è generalmente nota è l’ossigeno. Il chimico Britannico Joseph Priestley classificò diversi tipi di ‘aria’, o gas, tra il 1772 e il 1780. Quando riscaldò il mercurio rosso (HgO), ottenne un tipo di aria che fu piacevolmente respirabile, e poteva alimentare la combustione meglio dell’aria normale – o ogni altro tipo di ‘aria’ conosciuta. Chiamò questo gas ‘aria deflogisticata’, poiché si credeva che il flogisto fosse prodotto dalle sostanze che erano combuste. Poiché la nuova specie di aria era in grado di alimentare la combustione molto meglio di ogni altra aria, era ovvio che era completamente priva di flogisto.

Antoine-Laurent Lavoisier, il Francese che riformò la chimica alla fine del diciottesimo secolo, faceva ancheesperimenti con le ’arie’. Quando si incontrarono nel 1774, Priestley raccontò a Lavoisier dei suoi esperimenti prima di pubblicarli. Lavoisier replicò l’esperimento con il mercurio rosso (N.d.T.: ottenuto dalla combustione di un minerale) e giunse alle medesime conclusioni: un nuovo gas era stato prodotto. Tuttavia, rifiutò di accettare la teoria del flogisto, chiamandolo invece ‘ossigeno’ (che in Greco significa ‘produttore di acido’). Lavoisier vide l’ossigeno come un elemento –cioè, uno dei costituenti base della materia – e lanciò la teoria della combustione dell’ossigeno, ancora usata oggi.

Alcuni anni prima che Priestley and Lavoisier realizzassero i loro esperimenti il chimico Svedese Carl Wilhelm Scheele scoprì lo stesso tipo di ‘aria’, che chiamò ‘aria di fuoco’, poiché alimentava molto bene la combustione. Tuttavia non riuscì a pubblicare le sue scoperte sino al 1777.

Dunque, a chi si dovrebbe attribuire la scoperta dell’ossigeno e per quale risultato? Scheele, che per primo aveva realizzato l’esperimento per ottenere il nuovo gas; Priestley che aveva pubblicato per primo il lavoro sulla nuova ‘aria’; o a Lavoisier, che aveva posto il gas nel contesto della nuova chimica e che lo aveva identificato finalmente come elemento? Nella figura 1, appaiono, nella tavola periodica, tutte e tre le bandiere nel posto dell’ossigeno (8), dimostrando che questa controversia non è stata ancora risolta.  

La controversia che ha circondato la scoperta dell’ossigeno è stata portata alla ribalta dall’opera teatrale (Djerassi and Hoffmann, 2001), nella quale i tre protagonisti (con le loro partner della vita), in una riunione immaginaria del comitato del premio Nobel, affrontano la questione relativa alla attribuzione della scoperta.

Radon: elementi e isotopi

La scoperta della radioattività, all’inizio del ventesimo secolo, immediatamente mise in luce l’importanza delle nuove sostanze radioattive. Tuttavia, ci volle molto tempo per studiare le scoperte delle nuove sostanze – e capire cosa realmente fosse la radioattività. Mendeleev aveva costruito il suo sistema periodico sul principio che gli elementi fossero delle entità stabili, ma nel 1902 i fisici avevano suggerito che la radioattività trasformava l’atomo di un elemento in un altro – una specie di alchimia moderna. I problemi iniziali associati alla interpretazione dei fatti empirici sono illustrati dalla storia del radon.  

Nel 1899, mentre lavorava alla McGill University a Montreal, Canada, Ernest Rutherford osservò che il torio sprigionava una ‘emanazione’ che rendeva radioattiva l’aria attorno ad esso. L’anno seguente, il fisico Tedesco Friedrich Ernst Dorn dimostrò che anche l’uranio generava una simile emanazione. (I Curie avevano fatto un’analoga osservazione in precedenza.) Dorn cercò nuove e sconosciute linee spettrali in questa emanazione, dimostrando di sospettavare che questo fosse un nuovo elemento. Rutherford iniziò quindi ad esaminare sistematicamente la natura dell’emanazione del radio (Malley, 2011).Lavorando con una sua studentessa, Harriet Brooks, descrisse l’ emanazione dalla sorgente di radio come un gas di peso molecolare elevato, che poteva non essere un vapore di radio, implicando che questo fosse un gas radioattivo sconosciuto. La prova che questo fosse realmente un nuovo gas nobile arrivò nel 1910, quando William Ramsay e Robert Whytlaw-Gray produssero uno spettro unico simile a quello dei gas inerti. (Marshall and Marshall, 2003).

​Oggi, sappiamo che l’emanazione del torio era un isotopo del radon Rn-220, e l’emanazione del radio era l’isotopo Rn-222. Nei decenni successivi si trovarono altri isotopi del radon generando una grande quantità di nomi, inclusi: acton, actineon, exradio, exradium, exthorio, exthorium, exactinio, niton, radeon, radon, thoreon, and thoron. Il nome ‘radon’ fu adottato ufficialmente molto più tardi, nel 1931, e il termine ‘emanazione’ può ancora trovarsi nei contributi scientifici di inizio anni sessanta. 

Quindi, chi scoprì il radon e quale stadio del lungo e complesso processo che ha portato alla scoperta conta come la scoperta? Storici e chimici hanno incontrato molte difficoltà nel mettere le cose in chiaro, suggerendo Curie, Dorn, Rutherford o Ramsey and Whytlaw-Gray come coloro che scoprirono il radon. Ad Harriet Brooks, la studentessa che Rutherford ringraziò per aver compreso che l’emanazione fosse un gas radioattivo, non è, comunque, mai attribuita. (Rayner-Canham and Rayner-Canham, 2004).

L’Astato e la sintesi artificiale

In molti casi, il progresso nell’identificazione di un nuovo elemento è dipeso dallo sviluppo tecnico. Nel 1932, la Francese Yvette Cauchois sviluppò un tipo di spettrometro che rese possibile lo studio degli spettri degli elementi che producevano deboli linee spettrali. Cauchois e la sua collega Rumena Horia Hulubei trovarono delle nuove linee spettrali nel decadimento radioattivo del radon che avevano pensato fossero tipiche di un elemento con numero atomico 85, che a quel tempo non era stato ancora individuato. 

Alcuni anni dopo in Vienna, un team Austriaco tutto al femminile, Berta Karlik e Traude Bernert, individuarono due isotopi presenti in natura dell’elemento 85 e pubblicarono i loro risultati nel 1942 e 1943 (Lykknes and Van Tiggelen, 2019). Quello che le ricercatrici Franco-Rumena e Austriaca non sapevano, tuttavia, era che gli atomi dell’elemento 85 erano già stati sintetizzato a Berkeley, California, nel 1940. Gli scienziati che si interessavano di questa ricerca (Dale Corson, Kenneth MacKenzie e Emilio Segre) utilizzarono un ciclotrone per sintetizzare l’elemento, bombardando il bismuto-209 con particelle alfa. 

Nel 1947, in un articolo su Nature dedicato agli elementi incogniti, il famoso chimico Friedrich Paneth suggerì che la scoperta di elementi dovrebbe, in linea di massima, essere accreditata al primo team che era riuscito a sintetizzare e caratterizzare uno o più isotopi del nuovo elemento. Secondo Paneth, nel caso dell’elemento 85 questo era senya dubbio il team Americano che ebbe il compito di scegliere il nome del nuovo elemento; essi scelsero attribuito il nome astato, dal Greco astatos, che significa ‘instabile’.

Concorrenza e consenso

Paneth fornì una revisione autorevole per la scoperta di altri sette elementi (43, 61, 87, 93, 94, 95 e 96), disponendo dei principi guida per chi avesse il diritto a scegliere il nome del nuovo elemento: questo dovrebbe essere concesso al primo scienziato che fornisce le prove definitive dell’esistenza di un isotopo dell’elemento, senza discriminazione alcuna tra isotopi prodotti artificialmente o presenti in natura. Questi principi sono stati adottati dalla comunità scientifica a partire dal 1947. Produrre, osservare e identificare gli elementi e fornire la prova della loro esistenza, fece parte dello stesso compito.

However, like today, there were only a few places where the technology to make new elements was available: the Lawrence Livermore National Laboratory in the USA, the GSI Helmholtz Centre for Heavy Ion Research in Germany, the Joint Institute for Nuclear Research in the USSR (later Russia), and RIKEN in Japan. But while there is now more agreement on what constitutes a discovery, the controversies are no less fierce, as these laboratories rely on each other for confirmation of their findings, while at the same time competing.

Scientific discovery in context

Scientists from all disciplines know, from their daily practice, that discovery is a process. In relation to recent cases in astronomy of finding a new exoplanet, for example, one planetary discoverer has commented, “It’s not like there’s a single moment of discovery”^w1. In this case, as so often, the ‘discovery’ was only apparent within the context of the overall research, requiring a sizeable team and decades of experience and development. Science is not an enterprise propelled forwards by some lonesome genius – nor does it follow a linear narrative. In the history of science, detail and complexity are always part of the story. 

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