medicina nucleare fisica
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Medicina Nucleare Fisica. Nucleo: protoni e neutroni Orbite: elettroni caricaMassa (gm)Massa (amu)Massa relativa e - - 10.9108x10 -27 0.000549 1 p+11.6724x10 -24 1.0072771836 n 01.6747x10 -24 1.0086651840. Medicina Nucleare Fisica. OrbiteNumero Quantico (n) - PowerPoint PPT PresentationTRANSCRIPT
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Medicina Nucleare
Fisica
Nucleo: protoni e neutroni
Orbite: elettroni
carica Massa (gm) Massa (amu) Massa relativa
e- - 1 0.9108x10-27 0.000549 1
p +1 1.6724x10-24 1.007277 1836
n 0 1.6747x10-24 1.008665 1840
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Orbite Numero Quantico (n)
K 1
L 2
M 3
Principio di Pauli: Il numero massimo di e- in un’orbita è:
2n2
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Configurazione più stabile:
e- posizionati nelle orbite più interne
L’energia richiesta per rimuovere un e- si definisce come energia di legame
L’energia di legame decresce dalle orbite interne a quelle esterne.
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Medicina Nucleare
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Per spostare un e- da un’orbita interna ad una esterna si deve fornire energia. Eccitazione
Nel caso contrario energia viene rilasciata con emissione di Fotone X caratteristico o di Elettrone Augér. De-Eccitazione
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Radiazione X caratteristica:
Fotone di energia eguale alla differenza nelle energie di legame delle due orbite coinvolte nel processo.
Identificate sulla base dell’orbita in cui si origina il movimento dell’ e-
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Elettrone Augér:
L’energia rilasciata è trasferita ad un elettrone di un orbitale più esterno che è eiettato dall’atomo.
L’energia cinetica è eguale alla energia di legame dell’orbita riempita meno la somma delle energie di legame degli orbitali rimasti vuoti.
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Le energie di legame degli e- e quelle della radiazione X caratteristica sono molto piccole;
Unità di misura è eV, definita come l’energia cinetica di un e- accelerato da una differenza di potenziale di 1 V.
Gli e- degli orbitali interni hanno energie di legame intorno a 100 keV.
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Se è fornita energia sufficiente a rimuovere un elettrone di un orbitale interno il processo prende il nome di Ionizzazione.
L’ e- rimosso ha energia cinetica pari all’energia assorbita meno l’energia di legame della sua orbita.
L’atomo rimane in uno stato eccitato e avvengono i processi di de-eccitazione finché un e- libero è catturato e l’atomo torna allo stato stabile.
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Nel nucleo p e n sono strettamente tenuti insieme.
Se la massa del nucleo è sottratta dalla somma delle masse dei singoli nucleoni rimane una differenza di massa, dovuta al fatto che ogni nucleone cede una parte della sua massa nel processo di legame.
E=mc2
1 amu= 931.5 MeV
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La caratteristica fondamentale di un atomo è il
NUMERO ATOMICO o Z
Z= numero di protoni
Il numero di neutroni è definito come N
La somma di Z e N fornisce A, cioè il numero di massa atomica
A è approssimativamente eguale al peso atomico, che è la media dei numeri di massa atomica di tutti gli atomi naturali di un elemento pesati per la loro percentuale di abbondanza
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Ogni nucleo con i suoi elettroni orbitali (cioè un atomo) è un
NUCLIDE
AZ X N
Poiché Z è sinonimo del simbolo chimico e N=A-Z
AX o X-A sono forme accettate.
131I o I-131
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Nuclidi con caratteristiche simili sono raggruppati in famiglie nucleari.
Isotopi: nuclidi con eguale Z
Isobari: nuclidi con eguale A
Isotoni: nuclidi con eguale N
Isomeri: nuclidi con eguali caratteristiche, ma diverso stato energetico
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La maggior parte dei nuclei è stabile in natura ed ha alta energia di legame per nucleone.
Esistono alcuni nuclei con energie di legame per nucleone più basse e che non sono stabili.
Questi nuclei si trasformano spontaneamente e in modo random verso forme più stabili.
Queste trasformazioni possono risultare in emissione di particelle o di fotoni dal nucleo.
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Un importante fattore di stabilità del nucleo è il rapporto n/p.
Nuclei leggeri hanno lo stesso numero di n e p.
All’aumentare di Z (numero atomico) aumenta il numero di n per aumentare la distanza tra i p.
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Il processo di trasformazione è detto
DECADIMENTO RADIOATTIVO
In questo processo un nucleo padre (parent) instabile si trasforma in un nucleo figlio (daughter) più stabile attraverso l’emissione di particelle o di fotoni .
Questo processo NON è influenzato da temperatura, pressione o combinazioni chimiche.
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Esistono radionuclidi naturali o artificiali.
La maggior parte di quelli naturali hanno numero atomico (Z= numero di p) maggiore di 82, con l’eccezione di alcuni tra cui 14C e 40K.
I radionuclidi adoperati in Medicina Nucleare sono prodotti artificialmente: bombardamento di nuclei stabili con particelle di alta energia in ciclotroni, acceleratori lineari o reattori nucleari.
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Schemi di Decadimento
Genitore
Z ridotto Z invariato Z aumentato
Figlio
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Un processo di decadimento può anche essere descritto dall’equazione nucleare:
AZX A’
Z’Y + W+Q
W = radiazioni emesse
Q = energia totale rilasciata
L’equazione nucleare deve essere bilanciata come quella chimica.
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Esistono 7 tipi base di decadimenti radioattivi:
Transizione
Transizioni isobariche (, positroni, cattura elettronica)
Transizioni isomeriche (stati eccitati, stati metastabili, conversione interna)
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Emissioni dai Processi di Decadimento
Nome Simbolo Carica Massa (gm)
Alfa +2 6.6394x10-24
Beta -1 0.9108x10-27
Positrone +1 0.9108x10-27
Neutrino
Gamma
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Decadimento
X A-4Z-2Y + 4
2 + Q
Le particelle hanno alta energia, basso range (pochi cm in aria, frazioni di mm nei tessuti) e sono in genere emesse da nuclei pesanti (Z>82), come ad esempio il 226
88Ra che decade a 222
86Rn
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Le transizioni isobariche sono decadimenti in cui il padre ed il figlio sono isobari, hanno cioè lo stesso numero di massa atomica (A), ma differente Z e N.
Sono transizioni isobariche il decadimento , il decadimento positronico e la cattura elettronica.
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Decadimento
Avviene in nuclei con eccesso di neutroni.
X A
Z+1Y + + Q
Le particelle sono elettroni originati dal nucleo.
Hanno ampia distribuzione di energia, approssimano la velocità della luce, hanno range medio (centinaia di cm in aria, pochi mm nei tessuti)
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Decadimento
Le particelle possono avere energia variabile da 0 a Emax (=Q). Tuttavia la energia media è pari a 1/3 di Emax.
Le variazioni di energia sono state spiegate da Pauli con la presenza di una nuova particella, l’antineutrino.
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Decadimento positronico
Avviene in nuclei con eccesso di protoni.
X A
Z-1Y + + Q
Le particelle hanno la stessa massa di un e-, ma carica positiva.
La particella una volta persa l’energia cinetica si combina con un e- (annichilazione).
L’annichilazione produce 2 fotoni a 180° di 511 keV.
Ee necessaria una differenza energetica tra padre e figlio di almeno 1.022 MeV.
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Cattura Elettronica
Avviene in nuclei con eccesso di protoni.
X + e- A
Z-1Y + Q
In questo processo il nucleo cattura un e- orbitale (k).
Dopo la cattura l’atomo viene de-eccitato con emissione di X caratteristici o di elettroni Augér.
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Transizioni di Stato Eccitato
In molte dei decadimenti descritti, il nucleo figlio rimane in uno stato eccitato, e successivamente rilascia energia in forma di fotoni .
Questo processo avviene in meno di 10-12 secondi.
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Transizioni di Stato Metastabile
Se lo stato eccitato permane per più di 10-12 secondi si parla di stato metastabile. Un nucleo metastabile è un isomero del nucleo figlio, da cui differisce solo per lo stato energetico.
X A’m
Z’Y + W Q
Lo stato metastabile arriva a quello stabile mediante emissione
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1376 keV 9942Mo
920 keV
142 keV99m
43Tc
140 keV
0 keV
9943Tc
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Conversione Interna
In questo processo il nucleo, cambiando stato energetico, trasferisce energia a un e- di un orbitale interno che viene espulso.Questo elettrone di conversione ha energia paria a quella del fotone meno quella di legame.
Questo processo lascia l’atomo in uno stato eccitato.
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Equazioni di Decadimento
Tra vari atomi radioattivi non è possibile predire quale avrà il processo di decadimento, ma è possibile calcolare la il rate di decadimento, cioè la frazione che andrà incontro a decadimento per unità di tempo.
R= N/ t = A (attività)
N/ t è caratteristico per ogni radionuclide. E’ la costante di decadimento (unità di misura 1/t).
R= -
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Equazioni di Decadimento
L’unità del rate di decadimento nel Sistema Internazionale è il Becquerel (Be) che equivale a 1 dps.
Nel vecchio sistema era il Curie (Ci = 3.7 x 1010 dps)
Conversione:
1 Ci = 37 GBe
1 mCi = 37 MBe
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Equazioni di Decadimento
Il numero N di atomi che devono ancora decadere al tempo t è:
Nt= N0e-t
Altre forme per questa equazione sono
At= A0e-t
Rt= R0e-t