ΜΕΡΟΣ Α ΡΑΔΙΕΝΕΡΓΕΙΑ

Δομή του ατομικού πυρήνα Σύμφωνα με τον Δανό φυσικό Niels Bohr (αρχές 20 ου αιώνα) το άτομο έχει κάποιες αναλογίες με το πλανητικό σύστημα. Στο κέντρο βρίσκεται ο πυρήνας και γύρω από αυτόν περιφέρονται τα ηλεκτρόνια. Τα ηλεκτρόνια ακολουθούν συγκεκριμένες και αυστηρά καθορισμένες τροχιές. Σε κάθε τροχιά αντιστοιχεί συγκεκριμένη τιμή ενέργειας και στροφορμής των ηλεκτρονίων. Η μεταπήδηση ηλεκτρονίων από τη μία τροχιά στην άλλη προϋποθέτει την ελάττωση ή την αύξηση της ενέργειάς της. Αυτό επιτυγχάνεται με εκπομπή ή απορρόφηση συγκεκριμένων ποσοτήτων ενέργειας. Συνήθως χρησιμοποιούνται οι όροι διέγερση και αποδιέγερση του ατόμου. Κατά την αποδιέγερση εκπέμπεται ηλεκτρομαγνητική ενέργεια (ακτίνες Χ)

Ενέργεια σύνδεσης Όπως αποδεικνύεται με τον φασματογράφο μάζας, η συνολική μάζα ενός ατομικού πυρήνα είναι μικρότερη από το άθροισμα των μαζών των πρωτονίων και των νετρονίων του. Η διαφορά ονομάζεται έλλειμα μάζας Δm.

Ενέργεια Σύνδεσης (2) Έτσι έχουμε Δm = Zm p + Nm n – M N και Δmc 2 =ΔΕ σ όπου mp, mn, M N είναι οι μάζες του πρωτονίου, του νετρονίου και του πυρήνα, c η ταχύτητα, του φωτός και ΔΕ σ μια ποσότητα ενέργειας που αντιστοιχεί στη μάζα Δm. Η ενέργεια αυτή είναι η ενέργεια σύνδεσης.

ΡΑΔΙΕΝΕΡΓΕΙΑ Πρώτος ο Becquerel το 1986 ανακάλυψε ότι το στοιχείο U εξέπεμπε χωρίς καμμιά διέγερση μια διεισδυτική ακτινοβολία η οποία στην αρχή ονομάσθηκε ακτινοβολία Becquerel. Το φαινόμενο αυτό της αυτόματης και ανεξαρτήτως συνθηκών εκπομπής ακτινοβολίας από ορισμένα στοιχεία λέγεται ραδιενέργεια. Η ραδιενέργεια είναι ένα ενδοατομικό πυρηνικό φαινόμενο διότι δεν επηρεάζεται ούτε από φυσικές αλλά ούτε από χημικές μεταβολές (Rutherford).

Το πρώτο «τεχνητό» ραδιοϊσότοπο παράχθηκε από τους Joliot-Curie (1934). Αυτοί ανακάλυψαν ότι το γίνεται ραδιενεργό με βομβαρδισμό με πυρήνες Ηe (σωμάτια α που προέρχονται από το που είχαν ανακαλύψει οι ίδιοι μαζί με το το 1898). Έτσι οι Joliot-Curie πέτυχαν την πρώτη πυρηνική αντίδραση μεταστοιχειώνοντας το σε P σύμφωνα με :

Γενικός νόμος ραδιενέργειας Η ελάττωση μιας ποσότητας ραδιενεργών πυρήνων σε συνάρτηση με τον χρόνο περιγράφεται από τη σχέση: N: αρχική ποσότητα των πυρήνων λ: σταθερά διάσπασης dN: η ποσότητα των ραδιενεργών πυρήνων που μετασχηματίσθηκε σε χρονικό διάστημα dt Mε ολοκλήρωση της παραπάνω σχέσης προκύπτει: ένα φυσικό μέγεθος που παρουσιάζει πρακτικό ενδιαφέρον είναι ο ρυθμός ραδιενεργού φθοράς ή ενεργότητα (activity) ή απλά ραδιενέργεια είναι: Δηλαδή η ενεργότητα είναι ο αριθμός των ραδιενεργών διασπάσεων σε χρονικό διάστημα dt. Ισχύει επίσης: Μονάδες ραδιενέργειας: -Το Bq (Becquerel) που αντιστοιχεί σε μία διάσπαση ανά δευτερόλεπτο Δηλ. 1 Bq=1s -1 (σύστημα μονάδων SI) -Tο Ci (Curie) που ορίζεται με τη σχέση: 1Ci = 3,7x10 10 διασπάσεις/sec

Χρόνος υποδιπλασιασμού Τ ή χρόνος ημιζωής (half life) ενός ραδιενεργού ισοτόπου Το χρονικό διάστημα μετά την παρέλευση του οποίου μία ποσότητα ραδιενεργών πυρήνων του συγκεκριμένου ισοτόπου ελαττώνεται στο μισό. Είναι μέγεθος χαρακτηριστικό για κάθε ραδιενεργό ισότοπο και συνδέεται με τη σταθερά λ ως εξής: Εάν τεθεί t=Τα τότε: Με λογαρίθμηση βρίσκεται: Με έχουμε:

Οικογένειες ραδιενεργών στοιχείων (θεωρία διαδοχικών διασπάσεων) Οι Ratherford και Soldy μελέτησαν την συμπεριφορά μεγάλου αριθμού ραδιενεργών υλικών και το 1903 εισηγήθησαν την θεωρία των διαδοχικών μετατροπών. Σύμφωνα με αυτήν, τα άτομα που προκύπτουν από την διάσπαση ενός ραδιενεργού υλικού, πολύ συχνά είναι και αυτά ραδιενεργά και διασπώνται με την σειρά τους, δίνοντας νέα άτομα. Η διαδικασία αυτή συνεχίζεται μέχρι να δημιουργηθεί κάποιο σταθερό ισότοπο. Η σειρά των ατόμων που παίρνουν μέρος σ’αυτήν την αλυσίδα των διασπάσεων λέγεται ραδιενεργός σειρά.

Ραδιενεργός ισορροπία (1) Έστω μια ραδιενεργός σειρά με δύο μόνο στοιχεία: ένα μητρικό, ένα θυγατρικό και το τρίτο κατά σειρά στοιχείο είναι σταθερό. Ν 1 →Ν 2 →Ν 3 Ο ρυθμός διάσπασης του μητρικού είναι: dΝ 1 /dt= -λ 1 Ν 1 Ο ρυθμός παραγωγής του θυγατρικού στοιχείου είναι: dΝ 2 /dt=λ 1 Ν 1 -λ 2 Ν 2 δηλαδή είναι ο ρυθμός διάσπασης του μητρικού – τον ρυθμό διάσπασης του θυγατρικού Ραδιενεργός ισορροπία είναι μία κατάσταση κατά την οποία ο αριθμός των πυρήνων ενός στοιχείου που διασπάται αναπαράγεται ακριβώς μέσω των διασπάσεων του μητρικού του στοιχείου (που είναι ραδιενεργό). Η κατάσταση αυτή περιγράφεται ως εξής: dΝ 1 = dΝ 2, λ 1 Ν 1 dt = λ 2 Ν 2 dt Ν 1 /Τ 1 = Ν 2 /Τ 2 λ 1 Ν 1 = λ 2 Ν 2

Ραδιενεργός ισορροπία (2) Ο χρόνος που απαιτείται για την αποκατάσταση της ισορροπίας (δηλ. Α1 = Α2) είναι: λ 1 /λ 2 t 0 = ln( ) λ 1 – λ 2 Υπάρχουν τρεις περιπτώσεις διαδοχικών διασπάσεων: 1. λ 1 > λ 2 ή Τ 1 < Τ 2 όπου δεν παρουσιάζεται ραδιενεργός ισορροπία 2.λ 1 Τ 2 όπου έχουμε μεταβατική ραδιενεργός ισορροπία 3.λ 1 > Τ 2 όπου έχουμε αιώνια ραδιενεργός ισορροπία

Επισημασμένες ενώσεις και ραδιοφάρμακα Τα διάφορα ραδιονουκλίδια που χορηγούνται στους ασθενείς, αποτελούν συνήθως άτομα μιας απλής ή πολύπλοκης χημικής ένωσης την οποία επισημαίνουν Οι ενώσεις αυτές περιλαμβάνουν στην σύνθεσή τους ένα ή περισσότερους ραδιενεργούς πυρήνες και ονομάζονται επισημασμένες. Οι τρόποι παραγωγής των επισημασμένων ουσιών είναι: Η χημική σύνθεση Η επεξεργασία ανταλλαγής ατόμων Η βιοσύνθεση

Ραδιοφάρμακα είναι οι επισημασμένες ουσίες που χορηγούνται σε ασθενείς για διαγνωστικούς ή θεραπευτικούς σκοπούς. Ραδιοχημική καθαρότητα ενός ραδιοφαρμάκου, ορίζεται το ποσοστό της ολικής ραδιενέργειας που βρίσκεται με την μορφή του ραδιονουκλιδίου, που αναγράφεται στο παρασκεύασμα. Ειδική ραδιενέργεια, ορίζεται η ραδιενέργεια ανά μονάδα μάζας ενός ραδιενεργού υλικού. Εκφράζεται σε : μC 1 / μg ή σε cpm / μg

Η κλινική χρησιμότητα ενός ραδιοφαρμάκου εξαρτάται από τα χαρακτηριστικά του από πλευράς ραδιενέργειας, καθώς επίσης και από την χημική, βιολογική και φαρμακολογική συμπεριφορά του Επίσης σημασία έχει και η δόση ακτινοβολίας που απορρορά ο ασθενής κατά τη διάρκεια της εξέτασης

Τα βασικά χαρακτηριστικά και οι ιδιότητες που πρέπει να ληφθούν υπόψη κατά την επιλογή ενός ραδιοφαρμάκου είναι: Από άποψη ραδιενέργειας: –Το είδος των εκπεμπομένων ακτινοβολιών και το ποσοστό εκπομπής της –Η ενέργεια των εκπεμπομένων ακτινοβολιών –Ο χρόνος υποδιπλασιασμού –Η ειδική ραδιενέργεια –Η ραδιοισοτοπική καθαρότητα –Τρόπος παραγωγή, διαθεσιμότητα, κόστος

Από άποψη χημικών διαδικασιών: –Χημική καθαρότητα· –Χημική σταθερότητα –Ραδιοχημική καθαρότητα –Ικανότητα σχηματισμού χημικών ενώσεων και επισήμανσης Από άποψη φαρμακολογίας: –Εκλεκτικός εντοπισμός ή επιλεκτική συγκέντρωση –Φαρμακοκινητική –Απουσία πυρετογόνων, στειρότητα μικροβίων- αποστείρωση, απουσία τοξικών ουσιών

Ενεργός χρόνος υποδιπλασιασμού Ενεργός χρόνος υποδιπλασιασμού ενός ραδιοφαρμάκου, ορίζεται το χρονικό διάστημα που απαιτείται για να ελαττωθεί στο ήμισυ η ραδιενέργεια που εκπέμπει το ραδιοφάρμακο όταν ευρίσκεται μέσα στον ανθρώπινο οργανισμό. Η τιμή του καθορίζεται από την σχέση: 1/Τe = 1/Tp +1/Tb άρα Te = Tp x Tb Tp + Tb

Βιολογικός χρόνος υποδιπλασιασμού Βιολογικός χρόνος υποδιπλασιασμού μιας ουσίας, ορίζεται το χρονικό διάστημα που απαιτείται για να αποβληθεί από τον οργανισμό, ή από έν συγκεκριμένο όργανο, το ήμισυ της ουσίας, με βιολογικούς μηχανισμούς.

Το πατρικό Μολυβδαίνιο-99 ( 99 Μ ο ) παράγεται: α) σε πυρηνικό αντιδραστήρα ως προϊόν της σχάσης του 235 U. Από τα προϊόντα της σχάσης απομονώνεται με ειδική χημική επεξεργασία και έχει υψηλή ειδική ενεργότητα. β) με βομβαρδισμό οξειδίου του Μολυβδαινίου (98 M o O 3 ) με θερμικά νετρόνια. 98 M o + n 99 M o + γ Το Μολυβδαίνιο που λαμβάνεται είναι υψηλής ενεργότητας

Decay Scheme for 99 Mo 99 Mo 99m Tc 99 Tc 99 Ru (Stable)    67 hr  hr    2.2 X 10 5 yr

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ 99m Tc Το μετασταθερό τεχνήτιο -99m Tc αποτελεί πολύτιμο ραδιοισότοπο σε ένα μεγάλο πλήθος ραδιοφαρμακευτικών εφαρμογών και χρησιμοποιείται ευρύτατα στην Πυρηνική Ιατρική.(το 90% των εικόνων πυρηνικής ιατρικής, λαμβάνεται με την χρήση της ακτινοβολίας 99m Tc) Διαθέτει:  Δυνατότητα να σχηματίζει με ευχέρια πλήθος συμπλόκων ενώσεων κατάλληλων για ανίχνευση με τις σύγχρονες απεικονιστικές διατάξεις.  Χρόνο υποδιπλασιασμού (t1/2= 6 ώρες), που είναι ικανοποιητικός, διότι επιτρέπει την χορήγηση σημαντικής ποσότητος ενεργότητος, χωρίς σημαντική επιβάρυνση του ασθενούς.  Ελλειψη ακτινοβολίας β, η οποία δεν συνεισφέρει καθόλου στην απεικόνιση.  Ενέργεια 140 keVπου διαπερνά εύκολα τους ιστούς του σώματος και εστιάζεται εύκολα από τους υπάρχουσες ανιχνευτικές διατάξεις.  Μικρό κόστος παρασκευής  Ικανότητα διάθεσης του σε μεγάλες αποστάσεις από τον τόπο παραγωγής του με τις γεννήτριες 99Μο- 99mTc.

Διάσπαση α Η διάσπαση α έχει ως αποτέλεσμα τη μείωση του μαζικού και του ατομικού αριθμού του μητρικού πυρήνα σύμφωνα με το σχήμα: όπου Χ 1 ο μητρικός και Χ 2 ο θυγατρικός πυρήνας: Συνήθως ο προκύπτων θυγατρικός πυρήνας έχει περίσσεια ενέργειας (είναι διεγερμένος). Η επιπλέον αυτή ενέργεια εκπέμπεται υπό μορφή ακτινοβολίας γ. ΑΑ-44 Χ1Χ1 Χ 2 + Ηe ZZ-2Z Ra Rn + Ηe Po Pb + Ηe 84822

Διάσπαση β Με τον όρο διάσπαση β χαρακτηρίζονται τρεις διαφορετικοί τύποι πυρηνικών μετασχηματισμών: 1. Η εκπομπή σωματίου β - (ηλεκτρόνιο) 2. Η εκπομπή σωματίου β+ (ποζιτρόνιο) 3. Η ηλεκτρονική σύλληψη (Η.Σ.) Οι μετασχηματισμοί αυτοί παρίστανται με τις σχέσεις: ή ή ή

Ακτινοβολία γ Η ακτινοβολία γ είναι ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία που εκπέμπεται από τον πυρήνα. Οι διασπάσεις α και β αφήνουν τον πυρήνα σε διεγερμένη κατάσταση. Ο πυρήνας αποδιεγείρεται αποβάλλοντας ενέργεια υπό μορφή ενός ή περισσοτέρων φωτονίων. Τα φωτόνια αυτά είναι οι ακτίνες γ. Οι ενέργειες και οι συχνότητες των ακτίνων γ, έχουν τιμές χαρακτηριστικές για τον συγκεκριμένο πυρήνα.οι τιμές αυτές καθορίζονται από την σχέση: Ε 1 - Ε 2 = hν Ε 1 = η ενέργεια της αρχικής διεγερμένης κατάστασης. Ε 2 = η ενέργεια της νέας κατάστασης μετά την αποδέγερση του πυρήνα, ν = η συχνότης του εκπεμπομένου ψωτονίου h = η σταθερά του Plank. Οι ενέργειες των ακτίνων γ, είναι συνήθως υψηλότερες των ακτίνων Χ που παράγονται από ειδικές λυχνίες, αλλά μικρότερες από τις ενέργειες των επιταχυντών.

Τεχνητή ραδιενέργεια – Μηχανισμοί παραγωγής ραδιονουκλιδίων α) Διάσπαση πυρήνων β) Σύντηξη πυρήνων γ) Βομβαρδισμός με φορτισμένα σωματίδια και πρωτόνια

Τεχνητή ραδιενέργεια – Μηχανισμοί παραγωγής νουκλεοτιδίων (συν.) δ) Βομβαρδισμός με νετρόνια (η, γ) αντίδραση(η, p) αντίδραση (η, a) αντίδραση

ΠΑΡΑΓΩΓΗ ΡΑΔΙΕΝΕΡΓΩΝ ΙΣΟΤΟΠΩΝ Όλες οι μέθοδοι παραγωγής ισοτόπων βασίζονται στην ανάπτυξη πυρηνικών αντιδράσεων με το γενικό σχήμα: σωματίδιο βλήμα + σωματίδιο στόχος = ραδιενεργό στοιχείο Το σχήμα αυτό αναφέρεται συνήθως ως ενεργοποίηση (activation). To σωματίδιο βλήμα μπορεί να είναι ηλεκτρικά ουδέτερο (νετρόνιο n) ή φορτισμένο (πρωτόνιο p, δευτερόνιο d, τρίτιο, σωμάτιο άλφα κλπ.). Επίσης σε ορισμένες περιπτώσεις μπορεί να χρησιμοποιηθούν φωτόνια. Τα ισότοπα που χρησιμοποιούνται στις απεικονίσεις είναι τριών κατηγοριών: 1.Ισότοπα που εκπέμπουν σωμάτια β. Ο παραμένων θυγατρικός πυρήνας είναι διεγερμένος και αποδιεγείρεται με εκπομπή φωτονίων γ.

ΠΑΡΑΓΩΓΗ ΡΑΔΙΕΝΕΡΓΩΝ ΙΣΟΤΟΠΩΝ (συνέχεια) 2.Ισότοπα στα οποία παρουσιάζεται το φαινόμενο της ηλεκτρονικής σύλληψης (Η.Σ.). Μετά τη σύλληψη ενός περιφερειακού ηλεκτρονίου από τον πυρήνα, ακολουθεί εκπομπή φωτονίου Χ. Ως γνωστόν η εκπομπή του φωτονίου είναι αποτέλεσμα της αναδιάταξης των υπολοίπων περιφερειακών ηλεκτρονίων. 3. Ισότοπα που εκπέμπουν σωμάτια β +. Η χρήση αυτών των ισοτόπων βασίζεται στο φαινόμενο της εξαύλωσης (e - + e + → 2γ). Απαιτούν ειδικές απεικονιστικές τεχνικές και βασικό τους χαρακτηριστικό είναι ο μικρός χρόνος υποδιπλασιασμού (της τάξης των μερικών λετπών). Τα ισότοπα που εκπέμπουν σωμάτια α ακολουθούμενα από φωτόνια γ θεωρούνται ακατάλληλα λόγω του υψηλού συντελεστή γραμμικής μετάδοσης ενέργειας – LET (Linear Energy Transfer).