Come si può facilmente evincere da una qualsiasi tavola periodica, ciascun elemento possiede una massa prossima ad un valore intero, ma mai tale. Ciò è dovuto al fatto che in natura esistono diversi isotopi dello stesso elemento, ossia degli atomi con identico numero di protoni ma differente numero di neutroni nel nucleo. Di tali isotopi bisogna tener conto nella valutazione delle masse atomiche dato che da varie indagini spettroscopiche se ne è determinata l’abbondanza percentuale e successivamente calcolata una media ponderata.

Il principio del decadimento radioattivo dei nuclidi

stabilità isotopi
Il rapporto n/p (neutroni/protoni) conferisce a differenti isotopi una particolare instabilità che si traduce, a causa dell’interazione nucleare forte, nella capacità di decadere in atomi più leggeri e stabili.

Il nucleo, analizzando la sua composizione, è una struttura alquanto particolare all’interno dell’atomo. Esso è ricco di protoni che, a causa dell’interazione elettrostatica mutuale, dovrebbero respingersi distruggendo tale parte centrale. Al contrario essi restano uniti sotto l’azione dell’interazione nucleare forte che si instaura tra i protoni e i neutroni. Tale attrazione tra i nucleoni contrasta la repulsione elettrostatica garantendo al nucleo la sua stabilità. In alcuni particolari casi, il rapporto tra il numero di neutroni e di protoni in varie specie isotopiche è tale che l’atomo tende a decadere per raggiungere la più vicina banda di stabilità. In seguito alla proposta del modello a planetario, Rutherford identificò tre principali fenomeni radioattivi:

  • Il decadimento alfa, che consiste nell’emissione di un nucleo di elio ossia di una particella costituita da due protoni e due neutroni (spesso associata a fenomeni radioattivi di elementi pesanti come il plutonio);
  • Il decadimento beta, che consiste nell’emissione di elettroni nucleari ad alta energia (beta meno) o di positroni (beta più);
  • Raggi γ, generati dal passaggio del nuclide da uno stato eccitato ad uno ad energia minore in accordo con la condizione di frequenza quantistica di Bohr (E=hv).
tracciante radioattivo
Un tracciante molto utilizzato nella PET è il fluorodesossiglucosio, iniettato nei pazienti.

Il decadimento radioattivo segue una curva di natura esponenziale. In tale processo il numero di nuclidi iniziali tende a decrescere continuamente fino a tendere asintoticamente a zero. Il tempo di dimezzamento rappresenta l’intervallo temporale necessario a dimezzare il numero iniziale di atomi radioattivi presenti. Se tale valore risulta essere abbastanza elevato, i nuclidi possono essere impiegati in metodi di indagine come la datazione radiometrica che solitamente viene eseguita con il carbonio-14.
Molti nuclidi sono impiegati in ambito medico soprattutto per fini diagnostici. Ad esempio, la PET (tomografia ad emissione di positroni) sfrutta il decadimento di sostanze organiche tracciate con fluoro-18. Questo isotopo radioattivo emette un positrone che nel macchinario medico collide con un elettrone causando un annichilimento con conseguente emissione di fotoni γ. Questi vengono registrati da uno scanner che analizza la parte del corpo interessata e che produce un’immagine interna molto più accurata delle normali radiografie ai raggi X.

Il cobalto – 60 e la radiochirurgia stereotassica

Gamma Knife
Elmetto indossato da un paziente prima del trattamento Gamma Knife.

Una fonte di radiazioni molto adoperata è il cobalto-60 usato in ambito clinico per differenti scopi. Esso può essere prodotto mediante differenti processi nucleari. Uno dei tanti prevede di partire da 58-Fe bombardandolo con un fascio di neutroni trasformando il nuclide in  59-Fe.  Decadendo, questo isotopo si trasmuterà in 59-Co che, soggetto ad un irraggiamento da un altro fascio di neutroni, si convertirà in 60-Co. La sua emivita, ossia il tempo necessario per perdere la metà dell’attività nucleare (definita come il numero di decadimenti per unità di tempo), è di circa 5 anni e 4 mesi. Quando il cobalto-60 decade, esso emette dei raggi gamma abbastanza intensi che lo rendono adatto ad essere utilizzato nel settore radiochirurgico.

Inizialmente il 60-Co era impiegato nel trattamento del cancro della laringe siccome garantiva un’esposizione adeguata dei tessuti superficiali alle radiazioni emesse.
Un’altra applicazione in ambito radiochirurgico del cobalto consiste nell’intervento noto come Gamma Knife (o bisturi gamma). Esso sfrutta le radiazioni ionizzanti prodotte dal decadimento del 60-Co per sostituire l’effetto di una lama reale che chirurgicamente provocherebbe l’escissione della massa tumorale in zone del corpo difficilmente raggiungibili come gli strati profondi dell’encefalo.
Tale tecnica è stata creata nel 1967 all’Istituto Karolinska di Stoccolma da Lars Leksell e Borje Larsson. La terapia Gamma Knife viene anche detta radiochirurgia stereotassica poichè sfrutta un particolare sistema basato sul decadimento di radioisotopi per il raggiungimento di determinati punti dell’encefalo posti anche in grande profondità e di conseguenza difficilmente raggiungibili con le pratiche chirurgiche ordinarie.
Un dispositivo Gamma Knife contiene solitamente 201 atomi di cobalto-60 con un’attività di circa 30 curies (circa 1,11 x 1030 decadimenti al secondo) piazzati all’interno di una fascia semisferica localizzata in un macchinario schermato per evitare la dispersione delle radiazioni ionizzanti.

Raggi gamma
I raggi gamma vengono diretti verso un punto centrale di convergenza dove avviene l’ablazione delle cellule tumorali.

Il paziente, durante il trattamento, indossa un particolare elmetto chirurgicamente fissato al cranio in modo tale che la massa tumorale cerebrale resti ferma nel punto di congiunzione dei raggi gamma.
La particolare disposizione degli isotopi del cobalto permette loro di non danneggiare singolarmente i tessuti che penetrano, ma di causare un’ablazione delle cellule nel loro punto di convergenza. Per calibrare il macchinario si necessita di accertamenti clinici prima dell’intervento come una risonanza magnetica (MRI) o una tomografia computerizzata (CT) per determinare la posizione precisa del tumore nel complesso encefalico.
L’intervento tuttavia non richiede né l’apertura della calotta cranica (necessaria invece per operazioni di escissione chirurgica), né un’anestesia (il processo di eliminazione della massa tumorale è indolore) e il periodo di convalescenza post-operatorio risulta essere abbastanza breve.
Questa tecnica che sfrutta i radioisotopi del cobalto sta subendo un declino nelle applicazioni mediche in quanto le radiazioni prodotte per frenamento (bremsstrahlung) grazie ad acceleratori lineari (LINAC) producono le stesse onde elettromagnetiche generate dal 60-Co ma in una maniera molto più sicura ed efficiente.

Macchinario radiochirurgico
Macchinario radiochirurgico basato su emissione di radiazioni per frenamento (LINAC).

Innanzitutto il personale medico non deve trovarsi necessariamente a stretto contatto con delle fonti radioattive durante la preparazione del macchinario per il trattamento radiochirurgico e in secondo luogo l’emivita dei radioisotopi spesso costringe le strutture sanitarie a richiederne sempre di nuovi a causa della loro breve emivita e della tendenza a perdere le proprietà radioattive in seguito a processi che spesso li portano a decadere in atomi più stabili. Inoltre, la radiochirurgia stereotassica svolta con gli acceleratori lineari è spesso associata a dei complessi software informatici in grado di massimizzare la dose di radiazioni nel punto in cui bisogna provocare un’escissione delle cellule cancerose.

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