Decadimento radioattivo

La composizione nucleare di numerosi elementi in natura li rende energeticamente instabili. Tali elementi sono chiamati radionuclidi e si portano in condizione di stabilità energetica attraverso l'emissione di radiazione corpuscolata o elettromagnetica.
Il decadimento radioattivo o disintegrazione è quindi il processo di trasformazione, con liberazione di energia nucleare, di un radionuclide padre, in un nuclide figlio, il quale può essere a sua volta stabile o instabile. Se il figlio è stabile, il processo di decadimento è terminato. Se anche il figlio è instabile, inizia un nuovo processo di decadimento che può essere differente rispetto a quello del suo predecessore.

Emivita fisica (T Il tempo che trascorre affinchè un nucleo instabile decada è soggetto ad una legge probabilistica e caratteristico per ogni radionuclide. Si definisce emivita o tempo di dimezzamento il tempo che deve trascorrere affinchè la metà dei nuclei di un dato radionuclide vada incontro a decadimento. Tale tempo può variare tra le frazioni di secondo a milioni di anni.

• Formula di decadimento

Il decadimento di un radionuclide può essere espresso dalla funzione:    N_t = N_oe^-Lt

dove:

Attività

• Viene definita attività di un radionuclide il numero di disintegrazioni che avvengono, nell'unità di tempo, in una certa quantità di un radionuclide. Secondo il nuovo Sistema Internazionale di misura (SI) l'attività si misura in Bequerel (Bq) dove 1 Bq = 1 disintegrazione al secondo. In passato veniva utilizzato il Curie (Ci) che equivale a 37 GBq e corrisponde al numero di disintegrazione al secondo che avvengono in un grammo di Radio.
• I processi di decadimento provocano la emissione di radiazioni da parte dell'atomo. L'energia delle radiazioni alfa, X e gamma, emesse dai processi di decadimento radioattivo, è ben definita per ogni radioisotopo, in uno spettro discreto di energie; al contrario le radiazioni beta hanno uno spettro energetico continuo che si estende fino all'energia massima propria di ciascun radioisotopo con una distribuzione tale che l'energia media è dell'ordine di un terzo dell'energia massima.

Decadimento alfa La particella alfa è un nucleo di elio (costituito da 2 protoni e da 2 neutroni) e presenta doppia carica elettrica positiva. Origina dal decadimento di atomi pesanti che si trasformano in elementi più leggeri attraverso la perdita di 4 nucleoni.

Interazioni con la materia

• Il passaggio di una particella alfa attraverso un mezzo provoca, a causa della carica elettrica +2 e della massa 7400 volte maggiore di quella dell'elettrone, la ionizzazione di un gran numero di atomi (ionizzazione primaria) per attrazione degli elettroni. Ne consegue la creazione di un gran numero di coppie di ioni, consistenti in ioni negativi (elettroni liberi) e ioni positivi (l'atomo al quale è stato rimosso l'elettrone), che possono produrre un'ulteriore ionizzazione del mezzo (ionizzazione secondaria).

• Il processo di ionizzazione primaria causa una lenta perdita di energia cinetica da parte della particella alfa, che continua la sua corsa riducendo gradualmente la velocità finché si lega a due elettroni e si trasforma in un atomo di elio, con carica elettrica neutra. Poiché in aria ogni ionizzazione richiede in media 34 eV, una particella alfa con energia di 3.4 MeV produrrà circa 100.000 ionizzazioni e percorrerà circa 2 cm prima di fermarsi e diventare elettricamente neutra.
• La Ionizzazione Specifica in aria è pari a 60000 ionizzazioni / cm (per una radiazione di 1 MeV).
• Il percorso di una particella alfa, a parità di energia cinetica, è molto più breve di quello di radiazioni con massa minore. La radiazione alfa presenta quindi basso range di azione ma alta densità di ionizzazione.
  In aria il range medio di una particella alfa non supera i 4-5 cm, riducendosi drasticamente con l'aumentare della densità del mezzo, tanto che la radiazione alfa non riesce ad attraversare una barriera come la pelle.
• Oltre alla ionizzazione del mezzo attraversato, la particella alfa può provocare l'eccitazione di atomi, con il passaggio di un elettrone orbitale ad un orbita più distante dal nucleo portandosi in uno stato energetico più elevato, immediatamente seguito dal ritorno dell'elettrone ad un orbita più vicina al nucleo e ad uno stato di minore energia. Tale energia viene emessa sotto forma di fotoni X o di radiazione luminosa.

Decadimento Beta

Una particella beta è un elettrone ad alta velocità che fuoriesce da un nucleo in disintegrazione.
Tale particella può avere carica negativa unitaria (ß-, decadimento beta negativo), o carica positiva unitaria (ß+, decadimento beta positivo). In ogni caso la massa è identica a quella dell'elettrone.

Decadimento Beta negativo

• Quando il nucleo è instabile per eccesso di neutroni, un neutrone in eccesso si trasforma in protone secodo la formula:

n° = p⁺ + ß^- + antineutrino

• Il decadimento beta negativo provoca una transizione isobarica: il numero Z aumenta di una unità e l'atomo si trasforma in un elemento chimico differente, situato a destra nella tavola di Mendelejev mentre resta invariato il numero A.
• L'energia liberata dalla trasformazione del neutrone in protone diviene energia cinetica dell'elettrone (ß^-) e dell'antineutrino (particella priva di massa) che vengono espulsi dal nucleo e, ad eccezione dei ß emittenti puri, rimane in parte nel nucleo provocandone l'eccitazione e la conseguente diseccitazione con emissione di un fotone gamma.
• L'energia della particella ß^- e dell'antineutrino è imprevedibile e si distribuisce in uno spettro continuo di valori secondo una modalità probabilistica, mentre quella del fotone gamma è caratteristica per ogni radionuclide e può assumere solo livelli discreti di energia.
  
  Interazioni con la materia

Le particelle ß^- possono ionizzare il mezzo attraversato provocando l'allontanamento di elettroni dalla sfera di influenza nucleare per repulsione elettrostatica, a spese della loro energia cinetica (in media 34 eV per ogni evento di ionizzazione in aria). Essendo molto più piccole e elettricamente meno cariche delle particelle alfa, hanno una più bassa densità di ionizzazione e potere penetrante circa 1000 volte quello di una particella alfa di pari energia.
Il range medio di una particella ß^- può arrivare fino ad alcuni metri in aria e fino ad alcuni millimetri nei tessuti molli.

La Ionizzazione Specifica in aria è pari a 42 ionizzazioni / cm (per una radiazione di 1 MeV).

Le particelle ß^- possono, inoltre, interagire con i campi elettrici nucleari, subendo una deviazione della traiettoria e una riduzione dell'energia cinetica, con la contemporanea produzione di un fotone 'X' di Bremsstrahlung (frenamento).
L'energia dei fotoni di Bremsstrahlung corrisponde alla perdita di energia cinetica della particella ß e si distribuisce in uno spettro continuo esteso tra 0 e l'energia della radiazione ß- incidente.

La produzione di radiazioni X di Bremsstrahlung è maggiore se le radiazioni ß^- attraversano materiali con alta densità. Per questo motivo, per la schermatura di radioemettitori ß- emittenti vengono utilizzati materiali plastici con basso Z, nei quali non si producono fotoni X di Bremsstrahlung che, essendo molto più penetranti, sarebbero di più difficile schermatura.

Decadimento Beta positivo

• Quando il nucleo è instabile per difetto di neutroni, un protone in eccesso emette una particella ß+, chiamata positrone, e si trasforma in neutrone secondo la formula:

p⁺= n° + ß⁺ + neutrino

Il decadimento ß+ è più probabile rispetto alla cattura elettronica per gli elementi con basso numero atomico.
Il decadimento ß+ provoca una transizione isobarica: il numero Z si riduce di una unità e l'atomo si trasforma in un elemento chimico differente, situato a sinistra nella tavola di Mendelejev mentre resta invariato A.

Interazioni con la materia

Le particelle ß⁺ possono ionizzare il mezzo attraversato provocando l'allontanamento di elettroni dalla sfera di influenza nucleare per attrazione elettrostatica, a spese della loro energia cinetica (in media 34 eV per ogni evento di ionizzazione in aria). Il potere pentrante è uguale a quello delle particelle ß-.

Le particelle ß⁺ dopo circa 10E-9 secondi vanno incontro ad ANNICHILAZIONE, interagendo con un elettrone. Le due particelle scompaiono e la loro massa è trasformata in 2 fotoni gamma di 0.511 MeV, emessi in direzioni contrapposte.

• I radionuclidi che decadono per emissione ß⁺ sono usati in medicina nucleare per la Tomografia ad Emissione di Positroni (PET).

Cattura elettronica

Quando il nucleo è instabile per difetto di neutroni un elettrone degli orbitali più interni può venire catturato dal nucleo dove un protone si trasformerà in neutrone secondo la formula:

p⁺ + e^- = n° + neutrino

La cattura elettronica è più probabile rispetto al decadimento ß+ per gli elementi con alto numero atomico.

La cattura elettronica provoca una transizione isobarica identica a quella causata dal decadimento ß+: il numero Z si riduce di una unità e l'atomo si trasforma in un elemento chimico differente, situato a sinistra nella tavola di Mendelejev mentre resta invariato A.

Il riarrangiamento degli elettroni orbitali, che si spostano verso l'orbitale più interno rimasto privo di un'elettrone e quindi verso orbite a minore contenuto di energia, provoca la liberazione dell'energia in eccesso sotto forma di radiazioni X 'caratteristiche'.

Transizione Isomerica

E' il passaggio di un isomero, in stato metastabile, alla sua forma più stabile, con liberazione dell'energia nucleare in eccesso mediante l'emissione di un fotone gamma.

Rappresenta un cambiamento nello stato energetico del nucleo, senza una modificazione dei componenti dello stesso.

Si può considerare come la conclusione, leggermente ritardata nel tempo, di un processo di decadimento che abbia lasciato il nucleo in condizione di eccesso di energia.

L'ampio uso di radionuclidi metastabili in medicina nucleare è motivato dalla quasi totale assenza di radiazione corpuscolata associata al loro decadimento e dalla loro emivita relativamente breve. Queste caratteristiche sono radiobiologicamente favorevoli e permettono somministrazioni di quantità relativamente elevate con bassa dose di esposizione.

Esempio di transizione isomerica è il decadimento del 99mTc, il radionuclide attualmente più usato in medicina nucleare. Il 99mTc deriva dal 99Mo che decade a 99mTc per emissione ß, con tempo di dimezzamento di 2.7 giorni. Il 99mTc decade a sua volta, per transizione isomerica, a 99Tc, con un'emivita di 6 ore. Sono disponibili in commercio piccoli generatori ⁹⁹Mo → ⁹⁹Tc che ne permettono l'impiego in tutti i centri di medicina nucleare.