Risultati dell’apprendimento
- Lista delle applicazioni comuni degli isotopi radioattivi
Gli isotopi radioattivi hanno le stesse proprietà chimiche degli isotopi stabili dello stesso elemento, ma emettono radiazione, che può essere rilevata. Se sostituiamo uno (o più) atomi con radioisotopi in un composto, possiamo rintracciarli monitorando le loro emissioni radioattive. Questo tipo di composto è chiamato tracciante radioattivo (o etichetta radioattiva). I radioisotopi sono usati per seguire i percorsi delle reazioni biochimiche o per determinare come una sostanza è distribuita all’interno di un organismo. I traccianti radioattivi sono anche usati in molte applicazioni mediche, sia per la diagnosi che per il trattamento. Sono usati per misurare l’usura dei motori, analizzare la formazione geologica intorno ai pozzi di petrolio, e molto altro ancora.
I radioisotopi hanno rivoluzionato la pratica medica (vedi Half-Lives for Several Radioactive Isotopes), dove sono usati ampiamente. Più di 10 milioni di procedure di medicina nucleare e più di 100 milioni di test di medicina nucleare vengono eseguiti ogni anno negli Stati Uniti. Quattro esempi tipici di traccianti radioattivi usati in medicina sono il tecnezio-99 \sinistra ({43}^{99}text{Tc}}right), tallio-201 (a sinistra), iodio 131 (a sinistra) e sodio 24 (a sinistra). I tessuti danneggiati del cuore, del fegato e dei polmoni assorbono preferenzialmente alcuni composti di tecnezio-99. Dopo l’iniezione, la posizione del composto di tecnezio, e quindi il tessuto danneggiato, può essere determinato rilevando i raggi γ emessi dall’isotopo Tc-99. Il tallio-201 si concentra nel tessuto cardiaco sano, quindi i due isotopi, Tc-99 e Tl-201, sono usati insieme per studiare il tessuto cardiaco. Lo iodio-131 si concentra nella ghiandola tiroidea, nel fegato e in alcune parti del cervello. Può quindi essere usato per monitorare il gozzo e trattare le condizioni della tiroide, come la malattia di Grave, così come i tumori al fegato e al cervello. Soluzioni saline contenenti composti di sodio-24 vengono iniettate nel flusso sanguigno per aiutare a localizzare le ostruzioni al flusso del sangue.
Figura 1. La somministrazione di tallio-201 a un paziente e la successiva esecuzione di un test da sforzo offrono al personale medico l’opportunità di analizzare visivamente la funzione cardiaca e il flusso sanguigno. (credito: modifica del lavoro di “Blue0ctane”/Wikimedia Commons)
I radioisotopi usati in medicina hanno tipicamente brevi emivite – per esempio, l’onnipresente Tc-99m ha un’emivita di 6,01 ore. Questo rende il Tc-99m essenzialmente impossibile da immagazzinare e proibitivamente costoso da trasportare, quindi viene prodotto in loco. Gli ospedali e altre strutture mediche usano Mo-99 (che è principalmente estratto dai prodotti di fissione U-235) per generare Tc-99. Il Mo-99 subisce un decadimento β con un’emivita di 66 ore, e il Tc-99 viene poi estratto chimicamente. Il nuclide genitore Mo-99 è parte di uno ione molibdato, {testo{MoO}}_{4}^{2-}; quando decade, forma lo ione pertecnetato, {testo{TcO}}_{4}^{testo{-}. Questi due ioni solubili in acqua sono separati per cromatografia su colonna, con lo ione molibdato di carica maggiore che si adsorbe sull’allumina nella colonna, e lo ione pertecnetato di carica inferiore che passa attraverso la colonna nella soluzione. Pochi microgrammi di Mo-99 possono produrre abbastanza Tc-99 per eseguire fino a 10.000 test.
Figura 2. (a) Il primo generatore di Tc-99m (circa 1958) è usato per separare il Tc-99 dal Mo-99. Il MoO42- è trattenuto dalla matrice nella colonna, mentre il TcO4- passa attraverso ed è raccolto. (b) Il Tc-99 è stato usato in questa scansione del collo di un paziente con la malattia di Grave. La scansione mostra la posizione di alte concentrazioni di Tc-99. (credito a: modifica del lavoro del Dipartimento dell’Energia; credito b: modifica del lavoro di “MBq”/Wikimedia Commons)
I radioisotopi possono anche essere usati, tipicamente in dosi più alte che come tracciante, come trattamento. La radioterapia è l’uso di radiazioni ad alta energia per danneggiare il DNA delle cellule tumorali, che le uccide o impedisce loro di dividersi. Un paziente malato di cancro può ricevere una radioterapia esterna a fascio consegnata da una macchina fuori dal corpo, o una radioterapia interna (brachiterapia) da una sostanza radioattiva che è stata introdotta nel corpo. Si noti che la chemioterapia è simile alla radioterapia interna in quanto il trattamento del cancro viene iniettato nel corpo, ma differisce in quanto la chemioterapia utilizza sostanze chimiche piuttosto che radioattive per uccidere le cellule tumorali.
Figura 3. La vignetta in (a) mostra una macchina per cobalto-60 usata nel trattamento del cancro. Il diagramma in (b) mostra come il gantry della macchina per il Co-60 oscilla attraverso un arco, concentrando la radiazione sulla regione mirata (tumore) e minimizzando la quantità di radiazione che passa attraverso le regioni vicine.
Il cobalto-60 è un radioisotopo sintetico prodotto dall’attivazione neutronica del Co-59, che poi subisce il decadimento β per formare il Ni-60, insieme all’emissione di radiazione γ. Il processo complessivo è:
{}_{27}^{59}\text{Co}+{}_{0}^{1}\text{n}\longrightarrow {}_{27}^{60}\text{Co}\longrightarrow {}_{28}^{60}\text{Ni}+{}_{-1}^{0}{beta+2{}_{0}^{0}{gamma
Lo schema complessivo di decadimento per questo è mostrato graficamente nella Figura 4.
Figura 4. Il Co-60 subisce una serie di decadimenti radioattivi. Le emissioni γ sono usate per la radioterapia.
I radioisotopi sono usati in diversi modi per studiare i meccanismi delle reazioni chimiche nelle piante e negli animali. Questi includono l’etichettatura dei fertilizzanti negli studi sull’assorbimento dei nutrienti da parte delle piante e sulla crescita delle colture, le indagini sui processi digestivi e di produzione del latte nelle mucche e gli studi sulla crescita e sul metabolismo di animali e piante.
Per esempio, il radioisotopo C-14 è stato usato per chiarire i dettagli di come avviene la fotosintesi. La reazione complessiva è:
{\text{6CO}}_{2}\left(g\right)+{\text{6H}}_{2}\text{O}\left(l\right)\longrightarrow {\text{C}}_{6}{\text{H}}_{12}{\text{O}}_{6}\left(s\right)+{\text{6O}}_{2}\left(g\right),
ma il processo è molto più complesso, procedendo attraverso una serie di passi in cui vengono prodotti vari composti organici. Negli studi sul percorso di questa reazione, le piante sono state esposte a CO2 contenente un’alta concentrazione di {}_{6}^{14}{C}. A intervalli regolari, le piante sono state analizzate per determinare quali composti organici contenevano carbonio-14 e quanto di ogni composto era presente. Dalla sequenza temporale in cui i composti apparivano e la quantità di ciascuno presente in determinati intervalli di tempo, gli scienziati hanno imparato di più sul percorso della reazione.
Le applicazioni commerciali dei materiali radioattivi sono altrettanto diverse. Esse includono la determinazione dello spessore di pellicole e fogli sottili di metallo sfruttando il potere di penetrazione di vari tipi di radiazioni. I difetti nei metalli usati per scopi strutturali possono essere rilevati usando i raggi gamma ad alta energia del cobalto-60 in modo simile al modo in cui i raggi X sono usati per esaminare il corpo umano. In una forma di controllo dei parassiti, le mosche sono controllate sterilizzando i maschi con radiazioni γ in modo che le femmine che si riproducono con loro non producano prole. Molti alimenti sono conservati da radiazioni che uccidono i microrganismi che causano il deterioramento degli alimenti.
Figura 5. Gli usi commerciali comuni delle radiazioni includono (a) l’esame a raggi X dei bagagli in un aeroporto e (b) la conservazione del cibo. (credito a: modifica del lavoro del Dipartimento della Marina; credito b: modifica del lavoro del Dipartimento dell’Agricoltura degli Stati Uniti)
L’americio-241, un emettitore α con un’emivita di 458 anni, è usato in piccole quantità nei rivelatori di fumo a ionizzazione. Le emissioni α da Am-241 ionizzano l’aria tra due piastre di elettrodi nella camera di ionizzazione. Una batteria fornisce un potenziale che causa il movimento degli ioni, creando così una piccola corrente elettrica. Quando il fumo entra nella camera, il movimento degli ioni è ostacolato, riducendo la conducibilità dell’aria. Questo provoca un calo marcato della corrente, facendo scattare un allarme.
Figura 6. All’interno di un rilevatore di fumo, Am-241 emette particelle α che ionizzano l’aria, creando una piccola corrente elettrica. Durante un incendio, le particelle di fumo ostacolano il flusso di ioni, riducendo la corrente e facendo scattare un allarme. (credit a: modifica del lavoro di “Muffet”/Wikimedia Commons)
Concetti chiave e riassunto
Composti noti come traccianti radioattivi possono essere usati per seguire reazioni, tracciare la distribuzione di una sostanza, diagnosticare e trattare condizioni mediche, e molto altro. Altre sostanze radioattive sono utili per controllare i parassiti, visualizzare le strutture, fornire avvisi di incendio e per molte altre applicazioni. Centinaia di milioni di test e procedure di medicina nucleare, che utilizzano un’ampia varietà di radioisotopi con emivita relativamente breve, vengono eseguiti ogni anno negli Stati Uniti. La maggior parte di questi radioisotopi hanno emivite relativamente brevi; alcuni sono abbastanza brevi che il radioisotopo deve essere prodotto in loco nelle strutture mediche. La radioterapia utilizza radiazioni ad alta energia per uccidere le cellule tumorali danneggiando il loro DNA. Le radiazioni usate per questo trattamento possono essere somministrate esternamente o internamente.
Prova
- Come si può usare un nuclide radioattivo per dimostrare che l’equilibrio:\AgCl}^{AgCl}^ a sinistra(s)^ a destra)^ a destra(s)^ a destra)^ a sinistra(aq)^ a destra)^ a sinistra(aq)^ a sinistra(aq)^ è un equilibrio dinamico?
- Il tecnezio-99m ha un’emivita di 6,01 ore. Se un paziente iniettato con tecnezio-99m è sicuro di lasciare l’ospedale una volta che il 75% della dose è decaduto, quando è permesso al paziente di lasciare? La tiroide può essere visualizzata se lo iodio-131 viene iniettato nel corpo. In dosi maggiori, I-133 è anche usato come mezzo per trattare il cancro della tiroide. L’I-131 ha un’emivita di 8,70 giorni e decade per emissione β.
- Scrivi un’equazione per il decadimento.
- Quanto tempo impiegherà il 95.0% di una dose di I-131 a decadere?
Glossario
chemioterapia: simile alla radioterapia interna, ma nel corpo vengono introdotte sostanze chimiche piuttosto che radioattive per uccidere le cellule tumorali
radioterapia esterna: radiazioni erogate da una macchina all’esterno del corpo
radioterapia interna: (anche, brachiterapia) radiazione da una sostanza radioattiva introdotta nel corpo per uccidere le cellule tumorali
radioterapia: uso di radiazioni ad alta energia per danneggiare il DNA delle cellule tumorali, che le uccide o impedisce loro di dividersi
tracciante radioattivo: (anche, etichetta radioattiva) radioisotopo usato per tracciare o seguire una sostanza monitorando le sue emissioni radioattive