LE MERAVIGLIE DELLA CHIMICA NUCLEARE

Se dovessi pensare alla nostra vita, probabilmente quello che potrei asserire in base alle mie esperienze, è che tutto si basa su un equilibrio. La stabilità è il perno portante di tutti gli uomini. La stessa cosa succede anche nel micromondo degli atomi e molecole.

Vi siete mai chiesti perché si parla spesso di radiazioni o elementi radioattivi? Perché alcuni atomi emettono spontaneamente radiazioni e altri invece no?

Sicuramente non sono domande esistenziali, del tipo quelle che ti prendono sotto la doccia o al mattino dopo il caffè! Ma se mi seguite in questo articolo, cercherò di farvi capire che dietro a queste domande, ci sono le più grandi innovazioni tecnologiche del nostro tempo.

Intanto, cominciamo a comprendere il motivo per cui alcuni nuclei sono stabili e altri instabili.

Allora, il più importante fattore che determina la stabilità nucleare è il rapporto tra neutroni e protoni presenti nel nucleo.

Certo, parlare di neutroni e protoni potrebbe risultare ostico a chi non ha una conoscenza di base della chimica generale.

Diciamo, approssimando molto, che un atomo è costituito secondo le teorie della fisica classica da un nucleo, formato da due tipi di particelle: i protoni e i neutroni. Qui risiede la maggior parte della massa dell’atomo.

Il protone è una particella subatomica dotata di carica elettrica positiva di massa circa 1,67×10−27 kg.

Il neutrone, invece è una particella subatomica costituita da una carica elettrica netta pari a zero. La sua massa è molto simile a quella del protone.

All’ esterno ruotano, sempre considerando l’atomo in modo classico, gli elettroni, particelle subatomiche con carica elettrica negativa. La massa dell’elettrone approssimativamente è 9,1× 10−31 kg.  

La funzione dei neutroni è quella di diminuire le forze elettrostatiche di repulsione tra protoni positivi, e di fornire una forza nucleare che leghi i protoni e i neutroni per rendere stabile il nucleo.

Questo grafico vi mostra il numero di neutroni in funzione nel numero di protoni. Inoltre, come si evince dallo stesso grafico, c’è un’area molto ristretta per gli elementi compresi tra 1 e 20 protoni detta di stabilità. Qui il rapporto neutroni/protoni è circa 1.

Con l’aumentare del numero atomico, per compensare le forti repulsioni tra protoni, è necessario un maggior numero di neutroni, per cui si ha una deviazione da questa bisettrice degli assi. Oltre questa deviazione, i nuclei diventano instabili e radioattivi.

Ma cosa significa che un elemento è radioattivo?

La radioattività è il fenomeno per cui alcuni nuclei instabili si trasformano spontaneamente in altri, emettendo particelle. La radioattività, quindi, non è un’invenzione dell’uomo, che al contrario la subisce fin dalla sua apparizione sulla Terra, ma un processo naturale, antico quanto l’Universo e presente ovunque: nelle Stelle, nella Terra e nei nostri stessi corpi. 

TIPI DI DECADIMENTO RADIOATTIVO

In dipendenza del numero relativo di neutroni e protoni, i nuclidi radioattivi, per raggiungere la stabilità sottostanno a differenti tipi di decadimento.

DECADIMENTO ALFA (α)

Una particella alfa (α) corrisponde al nucleo dell’ elio (42He), per cui, costituita da due protoni e due neutroni, possiede massa atomica 4.

Prendiamo come esempio il decadimento dell’ uranio-238 per formare il torio-234. Il decadimento è proprio alfa.

Le radiazioni alfa, per la loro natura, sono poco penetranti e possono essere completamente bloccate da un semplice foglio di carta.

Decadimento Beta (β)

Il nucleo emette un elettrone. Le radiazioni beta sono più penetranti di quelle alfa, ma possono essere completamente bloccate da piccoli spessori di materiali metallici (ad esempio, pochi millimetri di alluminio).   

Secondo le attuali teorie accettate, il decadimento beta può avvenire in due modi:

Decadimento {\displaystyle \beta ^{-}}

Decadimento {\displaystyle \beta ^{+}}

Come abbiamo detto precedentemente, gli atomi degli elementi radioattivi, sono instabili e si disintegrano spontaneamente. Questo grado di instabilità, però, non è lo stesso per tutti. Alcuni decadono in tempi molto brevi, altri invece, hanno un decadimento molto lento.

Noi chimici usiamo una grandezza chiamata tempo di dimezzamento, che rappresenta il tempo occorrente perché la massa di una sostanza radioattiva, mediante decadimento, si riduca fino alla metà del suo valore iniziale. Tale tempo risulta indipendente dalla massa iniziale del nuclide radioattivo.

La velocità di decadimento è differente da un nuclide all’altro e procede con un andamento di tipo esponenziale.

La quantità rimanente della massa di un nuclide che chiameremo N, è uguale alla sua quantità inziale N0 moltiplicato per il numero di dimezzamenti che si sono verificati.

N = N0 x (1/2)n

Il periodo di dimezzamento, come la costante di decadimento, è una grandezza specifica di ciascuna specie di nuclei instabili ed ha valori che possono variare enormemente come risulta dalla seguente tabella:

Nuclidet1/2
238U4.51 x 109 anni
131I8 giorni
60Kr10.7 anni
60Co5.3 anni
99Tc6 ore
210Tl90 secondi
LA DATAZIONE AL CARBONIO-14

Sulla terra il carbonio si trova quasi al 99% come isotopo C-12 e circa per l’1% come C-13. Ma esistono piccole tracce anche di isotopo C-14, che si formano nell’alta atmosfera. Infatti alcuni neutroni dei raggi cosmici sono catturati dai nuclei di azoto, e in seguito all’ espulsione di un protone si forma il carbonio-14.

14N + n → 14C + p

Una volta formato, questo carbonio-14, reagisce con l’ossigeno per formare la 14CO2. Questa molecola entra nelle cellule delle piante e in presenza di luce, danno i carboidrati grazie al processo della fotosintesi.

Ovviamente i carboidrati vengono utilizzati dagli animali, ed entrano nella catena alimentare. Quindi tutti noi possediamo anche una parte di questo carbonio-14. Con la morte biologica, gli animali non assimilando più il carbonio-14, essendo instabile, si disgrega e tende a diminuire spontaneamente.

Il C-14 elimina elettroni tramite decadimento radioattivo, dimezzandosi ogni 5730 anni.

Con determinate assunzioni, è possibile in questo modo datare i reperti storici organici. Unico limite è che il reperto organico non superi un età superiore ai 70000 anni.

Gli archeologi e i paleontologi misurano la quantità di 14-C che è rimasta nella materia organica che analizzano e in tal modo possono stabilire in che epoca è vissuto un nostro progenitore, un albero, un fossile o qualsiasi residuo organico.

LA RADIOATTIVITA’ IN MEDICINA

La scoperta della radioattività ha permesso lo sviluppo anche della medicina nucleare. Infatti, sono molti gli isotopi radioattivi utilizzati per indagini o trattamenti.

Un isotopo radioattivo è chiamato tracciante, perché è inserito nel corpo di una persona per via endovenosa. I raggi gamma emessi da questi isotopi permettono di ottenere immagini di organi da analizzare.

Un esempio in medicina è la scintigrafia tiroidea, che permette di analizzare la funzionalità della ghiandola tiroidea. Come marcatore, si utilizza lo iodio-123, che presenta una semivita di 13 ore.

Per non parlare delle radiografie a raggi X.

La radiografia, o esame radiologico, è un’indagine che utilizza le proprietà di un particolare tipo di radiazioni ionizzanti, i raggi X, di impressionare una pellicola (lastra) per ottenere immagini del corpo umano che possono riguardare sia le ossa, sia alcuni organi.

I raggi X attraversano i tessuti in quantità diversa a seconda della loro densità e della composizione: le ossa, ad esempio, vengono attraversate meno facilmente rispetto ai tessuti molli, come le fibre muscolari.

Un’altra metodica molto utilizzata è la PET (Positron Emission Tomography) è una metodica di diagnostica per immagini che consente di individuare precocemente i tumori e di valutarne la dimensione e la localizzazione. Il radiofarmaco è composto da una molecola che mappa il processo patologico di interesse e da un atomo radioattivo che emette positroni, a breve emivita. Il farmaco “illumina” le cellule a cui si lega, evidenziando così la presenza di eventuali patologie e permettendo una loro completa e precisa caratterizzazione.

Il fluorodesossiglucosio (18F-FDG) è la molecola utilizzata come radiofarmaco.

Gli esempi da annoverare sarebbero molti altri. Questa è una piccola parte delle meraviglie della chimica nucleare.

Dott. Francesco Domenico Nucera


FONTI:

International Atomic Energy Agency (IAEA). Radiation Protection of Patients (RPOP) 

PET Imaging, GE Healthcare.

AA.VV., Fondamenti di Medicina Nucleare, Springer, p. 768-771.

2009 Brooks/Cole – Cengage

V. Loveland, D.J. Morrissey; G.T. Seaborg, Modern nuclear chemistry, John Wiley & Sons, 2006, ISBN 978-0-471-11532-8.

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