Marie Curie spiega la radioattività: dai tumori alle applicazioni mediche

Domani, 4 Luglio 2019, ricorre l’85° anniversario della morte della celebre Marie Curie, premio Nobel per la fisica e per la chimica dovuti alla scoperta di due nuovi elementi radioattivi e allo studio sulle radiazioni.

Susan Marie Frontczak
Questa celebre foto di Marie Curie è in realtà un “falso” scattato nel 2011. In realtà si tratta dell’attrice Susan Marie Frontczak, che interpreta alcune famose donne, tra cui Marie Curie.

Maria Salomea Skłodowska, meglio conosciuta come Marie Curie (7 novembre 1867 – 4 luglio 1934) è stata una chimica e fisica di origine polacca che, insieme al marito Pierre Curie, ha scoperto gli elementi Radio (226Ra) e Polonio (210Po) e le loro proprietà radioattive. Per questa rivoluzionaria scoperta scientifica è stata insignita di ben due premi Nobel, uno per la chimica (1903, condiviso con il coniuge e con il collega Antoine Henri Becquerel) e uno per la fisica (1911). Per questo motivo detiene diversi primati: è stata la prima donna a ricevere un Nobel, l’unica tra i quattro ad averne vinti addirittura due nonché l’unica a possederne in campi diversi (come il chimico Linus Pauling). Morì per una grave anemia aplastica (insufficiente produzione di cellule del sangue) causata probabilmente dalla lunga esposizione alle radiazioni.

Radio e Polonio

L’identificazione e l’isolamento di Radio e Polonio sono stati eseguiti dai minerali di pechblenda, la fonte primaria di Uranio che contiene anche piccolissime quantità dei due elementi. La scoperta è dovuta al fatto che alcuni campioni di pechblenda risultano più radioattivi di quelli che contengono solo Uranio, il che suggerisce la presenza di altri elementi ancora più pericolosi (Po è circa 300-400 volte più potente di U, Ra addirittura di più!). Sono state esaminate tonnellate di queste rocce per estrarne pochissime quantità di Polonio (1g su 10000 tonnellate!) e Radio (1g su 7 tonnellate!). Il Polonio, per la sua rarità, la breve emivita (cioè il tempo che impiega la metà degli atomi di un campione a decadere in un altro elemento) e l’elevata tossicità non viene utilizzato; il Radio, che deriva dal decadimento dell’Uranio, ha una disponibilità maggiore e veniva usato in vernici luminescenti per quadranti e lancette di orologi, mentre ancora oggi alcuni isotopi o sali vengono utilizzati per la terapia di alcuni tumori. Entrambi posseggono molti isotopi, cioè atomi con lo stesso numero di protoni ed elettroni ma diverso numero di neutroni e quindi diverso peso atomico: il Radio ne possiede 25, di cui 4 naturali (223Ra, 224Ra, 228Ra e 226Ra, il più stabile e disponibile) mentre il Polonio 33 (210Po è l’unico naturale).

Radioluminescenza
I quadranti degli orologi venivano decorati con vernici radioluminescenti contenenti Radio, finché negli anni ’50 ne è stata scoperta la tossicità dopo la morte di molti artigiani che ci lavoravano. Da allora è possibile usare solo trizio (3H o T), isotopo dell’idrogeno (H). (Fonte: Wikipedia)

La radioattività

La radioattività, o decadimento radioattivo, è stata scoperta a cavallo tra il XIX e il XX secolo da Röntgen, i Curie e Becquerel studiando l’Uranio, il Radio e il Polonio. Si tratta di un fenomeno fisico attraverso il quale alcuni atomi instabili, detti radionuclidi, si trasformano (decadimento o trasmutazione sono i termini corretti) in altri elementi meno pesanti fino a che raggiungono la stabilità, perdendo via via delle particelle subatomiche ed emettendo radiazioni ionizzanti. Queste emissioni, che possono essere costituite da particelle (α, β, neutroni e altre) oppure da onde elettromagnetiche (raggi γ, X ed E-UV), trasportano una grande energia capace di liberare elettroni da atomi o molecole. La ionizzazione causa quindi la rottura di legami fra atomi e la formazione di radicali, specie chimiche molto reattive e dannose per gli organismi. La stabilità di un elemento è indicata dall’emivita o tempo di dimezzamento, il lasso di tempo in cui la metà degli atomi decade, ma è solo un parametro statistico (come dimostrato dall’evento più raro di sempre, il decadimento dello Xenon-124 o 124Xe).

Decadimento radioattivo
Il decadimento dell’isotopo Carbonio-14 (14C ) porta alla formazione di un atomo di Azoto (N) più stabile.

Radiazioni, radicali e tumori

Alcuni radicali vengono prodotti naturalmente dalle nostre cellule, come i ROS e i RNS (specie reattive dell’Ossigeno/Azoto) che uccidono i batteri, ma la loro produzione e neutralizzazione (da parte degli antiossidanti) è strettamente controllata. Quando le radiazioni ionizzanti colpiscono l’organismo producono casualmente radicali liberi che reagiscono con qualsiasi molecola incontrino, generando a catena altri radicali. Questi sono molto pericolosi soprattutto quando interagiscono con i componenti fondamentali della cellula, alterandone le proprietà e le funzioni: i lipidi di membrana, le proteine e il DNA. Reagendo con il DNA, soprattutto durante la fase di riproduzione cellulare (mitosi), spesso causano mutazioni che non possono essere risolte dagli enzimi che assicurano l’integrità del materiale genetico (infatti questi, prima della duplicazione del DNA, lo controllano per riparare le mutazioni spontanee che avvengono naturalmente e frequentemente: siamo macchine perfette!). Attenzione, perché non tutti i tipi di mutazione sono dannosi: ci sono quelle vantaggiose che hanno favorito l’evoluzione o quelle silenti che non possiedono particolari effetti. Tuttavia quelle causate dalle radiazioni sono perlopiù negative, soprattutto perché sono incontrollate e si “accumulano” causando varie patologie tra cui i tumori. Essi sono infatti causati da danni al DNA che conferiscono particolari caratteristiche alle cellule:

  • non funzionalità (perdono il ruolo specifico che hanno in quella sede);
  • rapida proliferazione (riproduzione veloce ed incessante);
  • elevata resistenza al sistema immunitario ed ai farmaci;
  • invasione dei tessuti circostanti oppure lontani tramite metastasi, cellule tumorali che viaggiano attraverso il sangue.

L’incidenza delle malattie causate dalla radioattività varia in base a fattori come la durata dell’esposizione, la potenza delle radiazioni, la distanza dalla fonte radioattiva, l’organismo colpito ecc.

Applicazioni mediche delle radiazioni

Non tutto il male viene per nuocere: le radiazioni possono essere utilizzate in vari ambiti per scopi benefici. Tra i vari usi, c’è quello in campo medico:

  • nell’imaging biomedico (radiografia, mammografia, TAC, PET ecc.) vengono utilizzati raggi X, β e γ;
  • per la sterilizzazione degli strumenti;
  • nella radioterapia e nell’adroterapia per distruggere selettivamente masse tumorali.
Radiografia
La radiografia è nata con la scoperta dei raggi X da parte di Wilhelm Conrad Röntgen. Marie Curie ne fece uso durante la Prima Guerra Mondiale con i soldati feriti.

Cristiano Monti

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