ΡΑΔΙΕΝΕΡΓΟΣ ΔΙΑΣΠΑΣΗ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2

Transcript

1 ΡΑΔΙΕΝΕΡΓΟΣ ΔΙΑΣΠΑΣΗ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 1

2 ΡΑΔΙΕΝΕΡΓΟΣ ΔΙΑΣΠΑΣΗ (1) Τι είναι Ραδιενέργεια; το φαινόμενο εκπομπής ακτινοβολίας, όταν ένας ατομικός πυρήνας αυτόματα διασπάται και αλλάζει σε διαφορετικό πυρήνα (ή πυρήνες) Γάλλος Φυσικός A.H. Becquerel ( ): άλατα του ουρανίου (potassium uranyl sulfate) προκαλούν αμαύρωση της φωτογραφικής πλάκας (ακόμη και στο σκοτάδι) Pierre ( ) και Marie Curie ( ): το πολώνιο και το ράδιο, που παρουσίαζαν σε μεγαλύτερο βαθμό το φαινόμενο της ραδιενέργειας και αποτέλεσαν τα πρώτα ραδιενεργά στοιχεία. Ραδιενεργά Στοιχεία Ζ > 82 (τα περισσότερα) 2

3 ΡΑΔΙΕΝΕΡΓΟΣ ΔΙΑΣΠΑΣΗ (2) Θεωρία της ραδιενεργούς διάσπασης (1902, E. Rutherford F. Soddy) Η ραδιενέργεια των ραδιενεργών υλικών δεν συνεχίζεται επ' αόριστον, αλλά ελαττώνεται με το χρόνο. Ο ρυθμός με τον οποίο η ένταση της ραδιενέργειας ελαττώνεται είναι χαρακτηριστικός για το στοιχείο που την εκπέμπει. Η εκπομπή ραδιενέργειας συνοδεύεται από αλλαγή στις χημικές ιδιότητες των ραδιενεργών ατόμων (μεταστοιχείωση). Η ραδιενέργεια στοιχείων είναι συνέπεια της αστάθειας των πυρήνων τους, που σε κάποια χρονική στιγμή διασπώνται αυτόματα με ταυτόχρονη εκπομπή σωματιδιακών θραυσμάτων (σωματίδια α ή β) ή και ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας πολύ μικρού μήκους κύματος (ακτίνες γ και X). 3

4 ΡΑΔΙΕΝΕΡΓΟΣ ΔΙΑΣΠΑΣΗ (3) Αργότερα μετά από πολλά πειράματα και μετρήσεις διαπιστώθηκε ότι οι ραδιενεργές ενώσεις: Αμαυρώνουν τις φωτογραφικές πλάκες, Ιοντίζουν τα αέρια, Προκαλούν φθορισμό στην ύλη, Προκαλούν βιολογικές μεταβολές, Εκπέμπουν θερμότητα (1g Ra αποδίδει περίπου 130 θερμίδες την ώρα λόγω ραδιενέργειας). 4

5 ΡΑΔΙΕΝΕΡΓΟΣ ΔΙΑΣΠΑΣΗ (4) Φυσική και Τεχνητή ραδιενέργεια Φυσική ραδιενέργεια (φυσικά ισότοπα 40 Κ) Τεχνητή ραδιενέργεια (ατομικούς αντιδραστήρες, επιταχυντές, κ.λ., 125 Ι) Ραδιοϊσότοπα ή ραδιονουκλίδια : ραδιενεργά ισότοπα Σταθεροί πυρήνες : λόγος n/p 1.6 Αποκλίσεις από την καμπύλη σταθερότητας Διάσπαση του πυρήνα (περίσσεια ή έλλειψη νετρονίων) Διάσπαση του πυρήνα : πυρηνικές μεταβολές, μεταβολή του λόγου n/p Τελική κατάσταση : ενεργειακή σταθερότητα, λόγος n/p στην σταθερή περιοχή Αύξηση της αστάθειας των πυρήνων με την αύξηση της απόκλισης από τον λόγο n/p Το σταθερό ισότοπο 75 33Αs έχει n/p 1,273 και τα ραδιοϊσότοπα 70 Αs, 73 Αs, 77 Αs, 80 Αs έχουν αντίστοιχα n/p = 1,121, 1,212, 1,333 και 1,424 (διαφορετικός μηχανισμός διάσπασης). 5

6 ΡΑΔΙΕΝΕΡΓΟΣ ΔΙΑΣΠΑΣΗ (5) Η θέση ενός ραδιονουκλιδίου σε σχέση με την περιοχή σταθερότητας προσδιορίζει τον πιθανό τύπο της ραδιενεργούς διάσπασης που θα ακολουθεί, για να αποκτήσει ο πυρήνας περισσότερο σταθερή διάταξη Στους ελαφριούς πυρήνες: n/p = 1 Αύξηση του αριθμού πρωτονίων n/p > 1 Μέγιστη τιμή : 1.6 Ισότοπα του ουρανίου n/p : 1,58, Α > 2Ζ 6

7 ΡΑΔΙΕΝΕΡΓΟΣ ΔΙΑΣΠΑΣΗ (6) Α) μεγάλος λόγος n/p: μείωση της περιεκτικότητας σε νετρόνια και αύξηση της περιεκτικότητας σε πρωτόνια (n ---> p + + β - + v) Β) μικρός λόγος n/p: αύξηση του λόγου αυτού, με αύξηση της περιεκτικότητας σε νετρόνια και μείωση της περιεκτικότητας σε πρωτόνια (p + ---> n + β + + ν και p + + e - --> n + ν) Γ) Εάν μετά την εκπομπή σωματιδίων ο πυρήνας έχει περίσσεια ενέργειας, τότε για να φτάσει σε σταθερό ενεργειακό επίπεδο εκπέμπονται μία ή περισσότερες ακτίνες γ (ηλεκτρομαγνητική εκπομπή). Ακτινοβολία : Σωματιδιακή και Ηλεκτρομαγνητική εκπομπή ενέργειας Μεταβολή του ατομικού αριθμού μόνο κατά την σωματιδιακή εκπομπή Σε ορισμένες περιπτώσεις μόνο σωματιδιακή εκπομπή. 7

8 ΡΑΔΙΕΝΕΡΓΟΣ ΔΙΑΣΠΑΣΗ (7) Πιθανοί Μηχανισμοί Διάσπασης Ανάλογα με τον Λόγο n/p του Πυρήνα Σύνθεση Πυρήνα Τρόπος Διάσπασης Μηχανισμός Περίσσεια n και p Εκπομπή άλφα (α) n > p Εκπομπή νεγκατρονίου (β - ) n ---> p + +β - +ν n < p Eκπομπή ποζιτρονίου (β + ) p + ---> n+β + +ν Σύλληψη τροχιακού ηλεκτρονίου p + +e - ---> n+ν όπου: n, νετρόνιο, p + πρωτόνιο, ν νετρίνο, ν αντινετρίνο, β - νεγκατρόνιο και β + ποζιτρόνιο ΠΡΟΣΟΧΗ : η ραδιενεργός διάσπαση είναι διαφορετικό φαινόμενο από την σχάση του πυρήνα των ατόμων 8

9 Φυσικά ραδιοϊσότοπα ΦΥΣΙΚΑ ΡΑΔΙΟΪΣΟΤΟΠΑ (1) Τεχνητά ραδιοϊσότοπα σε πυρηνικούς αντιδραστήρες (προϊόντα σχάσης ή βομβαρδισμού πυρήνων με νετρόνια) ή σε επιταχυντές (βομβαρδισμός πυρήνων με φορτισμένα σωματίδια) Παραγωγή ραδιονουκλιδίων σε πυρηνικές εκρήξεις Κινούμενα σωματίδια μπορεί να εισχωρήσουν στο εσωτερικό των ατόμων (μεγάλος κενός χώρος) και να αλληλεπιδράσουν με τον πυρήνα σχηματίζοντας νέο πυρήνα ισοτόπου στοιχείου Τc-43 και Pm-61 : τεχνητά με Ζ < 92 (δεν υπάρχουν στην φύση) Στοιχεία με Ζ = : τεχνητά Όλα τα στοιχεία με Ζ>83 (Bi) είναι ραδιενεργά και δεν έχουν σταθερό ισότοπο Το Bi έχει ένα μόνο σταθερό ισότοπο το Bi Ζ < 83: μικρός αριθμός ραδιενεργών ισοτόπων (πολύ μικρές ποσότητες, μεγάλος χρόνος ημιζωής) Εφαρμογή στην Ιατρική και Βιολογία: 40 Κ, 14 C, 3 Η 9

10 ΦΥΣΙΚΑ ΡΑΔΙΟΪΣΟΤΟΠΑ (2) Φυσικά Ραδιοισότοπα με Ζ > 83 : ομάδες του θορίου, ακτινίου και ουρανίου ανάλογα με το αν το φυσικό ραδιοϊσότοπο είναι αρχικό ή ενδιάμεσο προϊόν ορισμένης αυτόματης, αλυσιδωτής αντίδρασης διάσπασης, στην οποία παράγονται ραδιοϊσότοπα που προκύπτουν διαδοχικά το ένα από το άλλο, μέχρις ότου καταλήξουν σε ένα σταθερό ισότοπο. Τα αρχικά ραδιοϊσότοπα κάθε σειράς έχουν μεγάλο χρόνο ημιζωής Ο χρόνος ημιζωής των ενδιάμεσων ραδιοϊσοτόπων : κλάσμα sec μερικά χρόνια Όλες οι οικογένειες καταλήγουν σε κάποιο σταθερό ισότοπο του μολύβδου Αναγράφεται μόνο ο μηχανισμός που γίνεται σε σημαντικό ποσοστό Φυσικά ραδιοϊσοτόπα : χρόνος ημιζωής ηλικία γης Δράση της κοσμικής ακτινοβολίας (στην ατμόσφαιρα) 14 7 Ν + γρήγορα 1 οn ---> 12 6C + 3 1H (t 1/2 = 1233y) 14 7 N + αργά 1 οn ---> p C (t 1/2 = 5730y) 10

11 ΦΥΣΙΚΑ ΡΑΔΙΟΪΣΟΤΟΠΑ (3) Οικογένειες Φυσικών Ραδιενεργών Στοιχείων Σειρά Μητρικό (Τ 1/2 χρόνια) Μαζικός Αριθμός Σταθερό Μελών Σειράς* Τελικό Ισότοπο Θoρίου 232 Th (1,39x10 10 ) 4n1 208 Pb Ακτινίου 235 U (7,13x10 8 ) 4n Pb Ουρανίου 238 U (4,51x10 9 ) 4n Pb *n1, n2, και n3 είναι ακέραιοι αριθμοί που περιλαμβάνονται αντίστοιχα μεταξύ των τιμών 52-58, και

12 ΤΕΧΝΗΤΑ ΡΑΔΙΟΪΣΟΤΟΠΑ Τεχνητή ραδιενεργή οικογένεια του ποσειδωνίου-237 ( Νp): το πρώτο μέλος της οικογένειας είναι το πλουτώνιο και συγκεκριμένα το Pu, όμως, η οικογένεια πήρε το όνομα από το περισσότερο μακρόβιο στοιχείο της Νp. Η οικογένεια τελειώνει στο σταθερό ισότοπο Bi, και τα μέλη της έχουν μαζικούς αριθμούς του τύπου Α=4n+1, όπου n είναι ακέραιος αριθμός μεταξύ 52 και 60. Ποίο είναι το βασικό στοιχείο διαφοροποίησης φυσικών και τεχνητών ραδιονουκλιδίων? 12

13 Βασικές Ιδιότητες Ραδιοϊσοτόπων Κάθε ραδιενεργό νουκλίδιο, φυσικό ή τεχνητό, μπορεί να χαρακτηριστεί Α) από τον τύπο και την ενέργεια της ραδιενέργειας που εκπέμπει, Β) το ρυθμό διάσπασης (χρόνο ημιζωής), και Γ) τον τρόπο διάσπασης (σχήμα διάσπασης) 13

14 ΧΡΟΝΟΣ ΥΠΟΔΙΠΛΑΣΙΑΣΜΟΥ (1) Ο ρυθμός με τον οποίον ο πυρήνας ενός ραδιονουκλιδίου διασπάται, είναι χαρακτηριστική φυσική σταθερά για αυτό και ΔΕΝ επηρεάζεται από το χημικό περιβάλλον του ατόμου, δηλαδή την οποιαδήποτε χημική μορφή αυτού, ούτε από τις συνθήκες του φυσικού περιβάλλοντος όπως θερμοκρασία, πίεση, έκθεση στο φως κ.ά. Η ραδιενεργή διάσπαση ρυθμίζεται από τους νόμους των πιθανοτήτων, για κάθε δεδομένο ραδιενεργό άτομο υπάρχει μία σταθερή δυνατότητα ή πιθανότητα ότι θα διασπαστεί στη χρονική περίοδο που έχει δηλωθεί. Η περίοδος στην οποία κατά μέσον όρο υπάρχει πιθανότητα να διασπαστεί το ήμισυ των ατόμων κάποιας ποσότητας συγκεκριμένου ραδιονουκλιδίου ονομάζεται φυσικός χρόνος ημιζωής (Τ 1/2 ) 14

15 ΧΡΟΝΟΣ ΥΠΟΔΙΠΛΑΣΙΑΣΜΟΥ (2) Πιθανότητα Διάσπασης : σταθερά μετατροπής ή σταθερά διάσπασης (λ) και έχει μονάδες αντίστροφου χρονικού διαστήματος π.χ. s

16 ΧΡΟΝΟΣ ΥΠΟΔΙΠΛΑΣΙΑΣΜΟΥ (3) Η διάσπαση των ραδιενεργών ισοτόπων ακολουθεί κινητική πρώτης τάξεως Απόδειξη dn = - Νλ dt dn = - Nλ dt (dn/ν) = - λ dt lnn = - λt + c lnn = -λt + lnn o lnn - lnn o = -λt ln(n/ν ο ) = -λt N/N ο = e -λt N = N o e -λt Ραδιενέργεια A t = A o e -λt (είναι ανάλογη του αριθμού των ραδιενεργών πυρήνων) Μείωση των ραδιενεργών πυρήνων με τον χρόνο 16

17 ΧΡΟΝΟΣ ΥΠΟΔΙΠΛΑΣΙΑΣΜΟΥ (4) Συσχέτιση σταθεράς διάσπασης, λ, και χρόνου υποδιπλασιασμού λ Τ 1/2 = 2,303 log N ο /0,5 N ο = 2,303 log 2 = 0,693 Τ 1/2 = / λ και λ = / Τ 1/2 Βασική ιδιότητα της εκθετικής καμπύλης κατά την γραμμική σχεδίαση είναι ότι προσεγγίζει αλλά δεν φθάνει στο μηδέν (το ήμισυ κάποιας μονάδας ποτέ δεν μηδενίζεται) 17

18 ΧΡΟΝΟΣ ΥΠΟΔΙΠΛΑΣΙΑΣΜΟΥ (5) Διάσπαση μίγματος ραδιενεργών ισοτόπων Προσδιορισμός από την γραφική παράσταση Χρόνος ημιζωής Β < χρόνο ημιζωής Α 18

19 Μέσος Χρόνος Ζωής Ραδιοϊσοτόπων Μέσος χρόνος ζωής ή μέση ζωή (T) ραδιοϊσότοπου : πλασματική σταθερά χρόνου που χρησιμοποιείται κυρίως στην ακτινοπροστασία για τον υπολογισμό δόσεων απορρόφησης ακτινοβολίας κάτω από τις πλέον υποθετικά δυσμενείς συνθήκες. Είναι ο χρόνος που χρειάζεται όλα τα άτομα ενός δείγματος ραδιοϊσοτόπου για να διασπαστούν, με την προϋπόθεση ότι αυτά είχαν τον ίδιο (σταθερό) ρυθμό διάσπασης από το πρώτο μέχρι και το τελευταίο ραδιενεργό άτομο. Η μέση ζωή του 198 Au είναι 3,90 ημέρες και ο φυσικός χρόνος ημιζωής είναι 2,70 ημέρες. O μέσος χρόνος ζωής συμπίπτει με το χρόνο στον οποίο από αρχικό πλήθος Ν ο ραδιενεργών πυρήνων απομένουν N 0 /e Ισχύει ότι T = 1,44 Τ 1/2 19

20 ΙΟΝΤΙΖΟΥΣΑ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑ Διάσπαση ραδιενεργών πυρήνων μεγάλα ποσά ενέργειας, δεν γίνονται πάντα εύκολα αντιληπτά, (μικρές ποσότητες δειγμάτων, μεγάλοι χρόνοι διάσπασης, μειονέκτημα στην εκμετάλλευση της) 1 g 226 Ra ελευθερώνει 36,7 δισεκατομμύρια σωματίδια α ανά sec με μεγάλη κινητική ενέργεια - Η απόδοση αυτή σε σωματίδια άλφα συνεχίζεται, με συνεχώς μειούμενη ένταση, μέχρις ότου όλο το ράδιο μεταβληθεί σε ραδόνιο, οπότε συνολικά από το 1 g ραδίου αποδίδονται περίπου Joule Συνεχιζόμενη διάσπαση σε μόλυβδο: 1 g 226 Ra μέχρι τον σταθερό μόλυβδο αποδίδονται συνολικά 1,4x10 10 Joule και η ενέργεια αυτή είναι 0,5x10 6 φορές μεγαλύτερη από εκείνη που προκύπτει κατά τη καύση 1 g γαιανθράκων. Ιοντίζουσα ραδιενέργεια, ακτινοβολία από ραδιενεργά ισότοπα, διότι έχει αρκετή ενέργεια ώστε να προκαλέσει με αλληλεπίδραση διέγερση και ιοντισμό στην ύλη. 20

21 ΕΝΕΡΓΕΙΑ ΜΕΤΡΗΣΗ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑΣ Ενέργεια ακτινοβολίας σε electron volts (ev). Ένα ev είναι ισοδύναμο με την κινητική ενέργεια ενός ηλεκτρονίου που αποκτά όταν κινείται ανεμπόδιστα ανάμεσα σε δύο σημεία ηλεκτρικού πεδίου με διαφορά δυναμικού ίση με 1V. Μέτρηση Ραδιενέργειας Ρυθμός πυρηνικών μεταβολών ή στον αριθμό των ραδιενεργών διασπάσεων ανά μονάδα χρόνου, διότι η ραδιενεργή διάσπαση ή ραδιενέργεια (ΔΝ/Δt) εξαρτάται από τον αριθμό των ραδιενεργών ατόμων (Ν) που υπάρχουν σε κάθε συγκεκριμένο ραδιενεργό δείγμα. Παραδοσιακά ως μονάδα ραδιενέργειας λαμβάνεται το Curie (Ci), που έχει οριστεί σαν τον αριθμό των διασπάσεων ανά sec σε 1 g Ra και είναι ίσο με 3,7x10 10 διασπάσεις ανά sec. Υποπολλαπλάσια του Ci είναι το millicurie (mci = 10-3 Ci), microcurie (μci = 10-6 Ci) κ.λπ.. Σήμερα το Curie έχει αντικατασταθεί από το Becquerel (Bq) το οποίο είναι ίσο με μία διάσπαση ανά δευτερόλεπτο και επομένως 1Ci = 3,7x10 10 Bq = 37 GBq. 21

22 ΕΙΔΙΚΗ ΡΑΔΙΕΝΕΡΓΕΙΑ ΡΑΔΙΕΝΕΡΓΟΣ ΣΥΓΚΕΝΤΡΩΣΗ Ειδική Ραδιενέργεια, ενός στοιχείου ή προϊόντος, είναι η ραδιενέργεια ανά μονάδα μάζας (g, mol κ.λπ.), και εκφράζεται σε μονάδες όπως mci/mg, Ci/g, Ci/mol κ.λπ. Πρέπει να δίνεται προσοχή, όταν περιγράφεται η ειδική ραδιενέργεια, για να διευκρινίζεται, κατά πόσον η μάζα αναφέρεται στο ραδιενεργό στοιχείο ή σε όλη τη ραδιοεπισημασμένη ένωση. Ραδιενεργό ιωδιούχο νάτριο: η ειδική ραδιενέργεια μπορεί να περιγραφεί με δύο τρόπους: 1) με αναφορά στη μάζα του ιωδίου π.χ. 10 μci/μmol ιωδίου, 2) με αναφορά στην μάζα του ιωδιούχου νατρίου π.χ. 10 μci/μmol Nα 131 Ι. Ραδιενεργή συγκέντρωση, ραδιενεργού υλικού, είναι η ραδιενέργεια ανά μονάδα όγκου π.χ. Bq/litre, mci/ml. Η ραδιενεργή συγκέντρωση είναι χρήσιμη για υπολογισμό της ραδιενέργειας ανά δόση χορήγησης αφού και τα περισσότερα ραδιοφάρμακα διαμορφώνονται σε υγρές μορφές. Ο όγκος διαλύματος ραδιοφαρμάκου που πρέπει να ληφθεί για να έχει δεδομένη ραδιενέργεια υπολογίζεται διαιρώντας την ποσότητα της επιθυμητής ραδιενέργειας με τη ραδιενεργό συγκέντρωση. Για να ληφθούν 20 mci από διάλυμα 32 mci/ml θα πρέπει να ληφθεί όγκος 20 mci:32 mci/ml = 0,62ml. 22

23 ΚΑΘΑΡΟΤΗΤΑ ΡΑΔΙΕΝΕΡΓΩΝ ΥΛΙΚΩΝ Ισοτοπική αφθονία είναι το ποσοστό ενός ισοτόπου σε μίγμα ισοτόπων του ίδιου στοιχείου. Άνθρακας : μίγμα των σταθερών ισοτόπων αυτού σε αναλογία περίπου 98,89% 12 C και 1,11 % 13 C. Υδρογόνο : 99,89% 1 1Η και 0,015% 2 1Η ή D (δευτέριο). Η παρουσία των αντιστοίχων ραδιοϊσοτόπων των στοιχείων θα μεταβάλει ανάλογα τις παραπάνω τιμές της ισοτοπικής αφθονίας (μέθοδος ταυτοποίησης προέλευσης υλικών). Ραδιονουκλιδική καθαρότητα, ραδιενεργού υλικού είναι το ποσοστό της συνολικής ραδιενέργειας που οφείλεται στο νουκλίδιο που προσδιορίζεται. Εάν όλη η ραδιενέργεια δείγματος οφείλεται σε 125 Ι, και σε κανένα άλλο ραδιοϊσότοπο, τότε το δείγμα θεωρείται 100% ραδιονουκλιδικά καθαρό. Ραδιοχημική καθαρότητα, ραδιενεργού υλικού, είναι το ποσοστό ενός ραδιονουκλιδίου που βρίσκεται στην επιθυμητή χημική μορφή. Η 125 Ι-thyroxine θεωρείται 100% ραδιοχημικά καθαρή, όταν το ραδιοϊώδιο είναι ενωμένο μόνο με την θυροξίνη και δεν υπάρχει σε καμιά άλλη χημική μορφή ή/και ελεύθερο. Ραδιενεργό υλικό ελεύθερο φορέα είναι εκείνο που περιέχει το συγκεκριμένο μόνο ραδιοϊσότοπο που καθορίζεται και κανένα άλλο ισότοπο (σταθερό ή ασταθές) του ίδιου στοιχείου. 23

24 ΣΧΗΜΑΤΑ ΡΑΔΙΕΝΕΡΓΩΝ ΔΙΑΣΠΑΣΕΩΝ (1) Tα σχήματα ραδιενεργών διασπάσεων είναι διαγράμματα που παρέχουν με εύκολο τρόπο περιληπτικά πληροφορίες σχετικά Α) με τον τρόπο διάσπασης ενός ραδιονουκλιδίου, Β) τις στάθμες ενέργειας του πυρήνα που διασπάται και Γ) την ενέργεια των ακτινοβολιών που εκπέμπονται 24

25 ΣΧΗΜΑΤΑ ΡΑΔΙΕΝΕΡΓΩΝ ΔΙΑΣΠΑΣΕΩΝ (2) 25

26 ΣΧΗΜΑΤΑ ΡΑΔΙΕΝΕΡΓΩΝ ΔΙΑΣΠΑΣΕΩΝ (3) 26

27 ΣΧΗΜΑΤΑ ΡΑΔΙΕΝΕΡΓΩΝ ΔΙΑΣΠΑΣΕΩΝ (4) 27

28 ΣΧΗΜΑΤΑ ΡΑΔΙΕΝΕΡΓΩΝ ΔΙΑΣΠΑΣΕΩΝ (4) Α) Το σύμβολο του μητρικού ραδιενεργού στοιχείου, ο ατομικός και ο μαζικός αριθμός καθώς και ο χρόνος ημιζωής εμφανίζονται στην ανώτατη οριζόντια γραμμή. Β) Λοξά βέλη προς τα αριστερά συμβολίζουν ότι το θυγατρικό άτομο έχει μικρότερο ατομικό αριθμό από το μητρικό και ο μηχανισμός διάσπασης του μητρικού πραγματοποιείται με εκπομπή σωματιδίων άλφα, ποζιτρονίων ή σύλληψη τροχιακού ηλεκτρονίου. Η διάσπαση με εκπομπή σωματιδίων άλφα συμβολίζεται με παχύτερα τόξα από εκείνα των άλλων τύπων διάσπασης. Γ) Λοξά βέλη προς τα δεξιά συμβολίζουν ότι το θυγατρικό άτομο έχει μεγαλύτερο ατομικό αριθμό από το μητρικό και ο μηχανισμός διάσπασης του μητρικού πραγματοποιείται με εκπομπή νεγκατρονίων 28

29 ΣΧΗΜΑΤΑ ΡΑΔΙΕΝΕΡΓΩΝ ΔΙΑΣΠΑΣΕΩΝ (5) δ) Κάθετα βέλη συμβολίζουν εκπομπή ακτινοβολίας γ. ε) Τα βέλη σταματούν σε χαμηλότερες της αρχικής οριζόντιες γραμμές, που συμβολίζουν τα ενεργειακά επίπεδα των θυγατρικών πυρήνων. στ) Όταν ο πυρήνας ακολουθεί περισσότερους από ένα τρόπους διάσπασης, το ποσοστό των πυρήνων που πιθανό να διασπαστούν με κάθε συγκεκριμένο τρόπο, σημειώνεται δίπλα στα βέλη. Επίσης, δίπλα στα βέλη σημειώνονται τα είδη και οι ενέργειες των ακτινοβολιών που εκπέμπονται. ζ) Η εκπομπή σωματιδίων από τον πυρήνα συνοδεύεται με μεταβολές στη δομή του (μεταστοιχείωση), ενώ η εκπομπή ακτινοβολίας-γ μεταβάλλει μόνο το ενεργειακό επίπεδο του πυρήνα και όχι τη δομή αυτού (δεν συνοδεύεται από μεταστοιχείωση). 29

30 ΣΧΗΜΑΤΑ ΡΑΔΙΕΝΕΡΓΩΝ ΔΙΑΣΠΑΣΕΩΝ (6) η) Η ολική ενέργεια που απελευθερώνεται από το μητρικό πυρήνα, για να φθάσει στη βασική κατάσταση του θυγατρικού νουκλιδίου, καλείται ενέργεια Q. Αριθμητικά η τιμή του Q δεν συμπίπτει πάντα με την ενέργεια που έχουν οι ακτινοβολίες που εκπέμπονται σε κάθε διάσταση, γιατί μέρος της Q ξοδεύεται σαν ενέργεια οπισθοδρόμησης του πυρήνα κατά την εκπομπή (δηλαδή, μετάδοση κινητικής ενέργειας στον πυρήνα σαν αποτέλεσμα διατήρησης της ορμής). Αυτή η διαφορά στη τιμή του Q είναι εμφανής κυρίως στη διάσπαση άλφα, ενώ κατά την εκπομπή σωματιδίων βήτα, λόγω του μικρού μεγέθους, η ενέργεια οπισθοδρόμησης δεν μπορεί να μετρηθεί με τα μέσα που υπάρχουν και η τιμή του Q συνήθως συμπίπτει με την ολική ενέργεια που ελευθερώνεται στο κάθε συγκεκριμένο τρόπο διάσπασης. 30

31 ΣΧΗΜΑΤΑ ΡΑΔΙΕΝΕΡΓΩΝ ΔΙΑΣΠΑΣΕΩΝ (7) θ) Ο όρος σωματίδια βήτα αναφέρεται σε θετικά ή αρνητικά φορτισμένα ηλεκτρόνια, που κινούνται γρήγορα με μεταβαλλόμενη ταχύτητα και τα οποία αντίστοιχα καλούνται ποζιτρόνια (β + ) και νεγκατρόνια (β - ). Τα σωματίδια β εκπέμπονται από πυρήνες που διασπώνται με ταχύτητα 25-99% εκείνης του φωτός (τα σωματίδια άλφα εκπέμπονται με ταχύτητα 1/15 εκείνη του φωτός) που αντιστοιχούν σε μέγιστες ενέργειες, όπως 0,0186 Mev για 3 Η και 3,56 Mev για το 42 19Κ. Η σχετική μάζα (m) των σωματιδίων ποικίλει ανάλογα με την ταχύτητα m o που έχουν σύμφωνα με την σχέση όπου m : σχετική μάζα, m o : μάζα στη θέση ηρεμίας, υ : η ταχύτητα του σωματιδίου, και c : ταχύτητα του φωτός. 31

32 Μηχανισμοί Διάσπασης Ραδιοϊσοτόπων (1) Διάσπαση με Εκπομπή Σωματιδίων άλφα (α) Ραδιοϊσότοπα, με μεγάλο ατομικό βάρος, (Α > 140), πολλές φορές παρουσιάζουν πυρηνική αστάθεια λόγω περίσσειας νετρονίων και πρωτονίων στον πυρήνα και διασπώνται με εκπομπή σωματιδίων άλφα. Η διάσπαση αυτή μπορεί να συνοδεύεται ή όχι από εκπομπή γ-ακτινοβολίας. Τελικά προκύπτει θυγατρικός πυρήνας μικρότερος κατά τέσσερα στο μαζικό αριθμό και κατά δύο στον ατομικό αριθμό Α) U μετατρέπεται σε Τh και Β) Ra σε Rn. Α Ζ Χ A-4 Z-2 Y + α Tα σωματίδια άλφα εκπέμπονται με ταχύτητα περίπου 2x10 9 cm.s -1 που αντιστοιχεί στο 1/15 της ταχύτητας του φωτός (3x10 10 cm.s -1 ), και με κινητική ενέργεια 4-8 Mev. 32

33 Μηχανισμοί Διάσπασης Ραδιοϊσοτόπων (2) Διάσπαση με Εκπομπή Σωματιδίων άλφα (α) Στη διάσπαση με εκπομπή σωματιδίων άλφα υπάρχει πάντα μια μικρή διαφορά μεταξύ της τιμής Q και της ολικής ενέργειας που ελευθερώνεται σε κάθε διάσπαση Ενέργεια οπισθοδρόμησης στον πυρήνα, δηλαδή μετάδοση κινητικής ενέργειας στον πυρήνα σαν αποτέλεσμα της διατήρησης της ορμής (δεν παρατηρείται στην β-διάσπαση) Όσο μεγαλύτερη είναι η ενέργεια των άλφα τόσο μικρότερος ο χρόνος ημιζωής του ραδιονουκλιδίου (αντιστρόφως ανάλογα) Μονοενεργειακά σωματίδια α Επειδή τα ραδιοϊσότοπα που εκπέμπουν σωματίδια άλφα ανήκουν σε στοιχεία με μεγάλο ατομικό αριθμό που χαρακτηρίζονται από σημαντική τοξικότητα, δεν χρησιμοποιούνται σε βιολογικά συστήματα, πλην όμως παρουσιάζουν ενδιαφέρον λόγω του βιολογικού κινδύνου που προκαλούν, όπως Ra, Po, Pu κ.ά. 33

34 Μηχανισμοί Διάσπασης Ραδιοϊσοτόπων (3) Ραδιενεργός Διάσπαση β 1. Διάσπαση με εκπομπή νεγκατρονίων (β - ) 2. Διάσπαση με εκπομπή ποζιτρονίων (β + ) Διάσπαση με εκπομπή Νεγκατρονίων (β - ) Συναντάται κυρίως στα ραδιοϊσότοπα που παράγονται σε ατομικούς αντιδραστήρες και αποκτούν περίσσεια νετρονίων στον πυρήνα ή μεγάλο λόγο n/p Κατά την διάσπαση ο πυρήνας χάνει ένα νετρόνιο (n) και κερδίζει ένα πρωτόνιο (p), ενώ εκπέμπονται ταυτόχρονα με μεγάλες ταχύτητες ένα νεγκατρόνιο (β - ) και ένα αντινετρίνο που δεν μπορούν να παραμείνουν στο περιβάλλον του πυρήνα (n --> p+β-+ν) Α Ζ Χ A Z+1 Y + β - + v Ο θυγατρικός πυρήνας που προκύπτει έχει αυξημένο κατά μία μονάδα ατομικό αριθμό (συγκριτικά με το μητρικό) ενώ ο μαζικός αριθμός παραμένει ο ίδιος 59 26Fe διασπάται και μετατρέπεται σε 59 27Co εκπέμποντας νεγκατρόνιο (β - ) και αντινετρίνο. 34

35 Μηχανισμοί Διάσπασης Ραδιοϊσοτόπων (4) Τα νεγκατρόνια και αντινετρίνο, που εκπέμπονται κατά την διάσπαση, είναι πολυενεργειακά με ορισμένη μεγίστη ενέργεια και χαρακτηριστικό ενεργειακό φάσμα. Εάν, μετά την εκπομπή των σωματιδίων, παραμένει στο πυρήνα που προκύπτει περίσσεια ενέργειας τούτη εκπέμπεται υπό μορφή μίας ή περισσοτέρων μονοενεργειακών γ-ακτίνων για να φτάσει σε σταθερό ενεργειακό επίπεδο. Η τιμή του Q συμπίπτει με τη μέγιστη ενέργεια των νεγκατρονίων που εκπέμπονται, ή όταν η εκπομπή συνοδεύεται από φωτόνια αυτή συμπίπτει με τη μέγιστη ενέργεια των νεγκατρονίων συν την ενέργεια των αντιστοίχων φωτονίων που εκπέμπονται από το ενεργειακό επίπεδο που έχει ο πυρήνας μετά την εκπομπή κάθε ομάδας νεγκατρονίων. Τα νεγκατρόνια εκπέμπονται από τον πυρήνα με μεγάλη ταχύτητα που πλησιάζει τα 25-99% της ταχύτητας του φωτός (3x10 10 cm.s -1 ). Όταν η κινητική ενέργεια ενός νεγκατρονίου πλησιάζει την θερμική ενέργεια (δηλαδή τη μέση κινητική ενέργεια των μορίων λόγω της θερμικής κίνησης), που είναι περίπου 0,025 ev στους 22 ο C, γίνεται τροχιακό ηλεκτρόνιο. 35

36 Μηχανισμοί Διάσπασης Ραδιοϊσοτόπων (5) Διάσπαση με εκπομπή ποζιτρονίου (β+) Συναντάται κυρίως στα ραδιοϊσότοπα που παράγονται σε επιταχυντές στους οποίους οι πυρήνες των μητρικών στοιχείων βομβαρδίζονται με φορτισμένα σωματίδια και αποκτούν περίσσεια πρωτονίων στον πυρήνα, δηλαδή μικρό λόγο n/p Κατά τη διάσπαση ο πυρήνας χάνει ένα πρωτόνιο (p) και κερδίζει ένα νετρόνιο (n), ενώ εκπέμπονται από ένα ποζιτρόνιο (β+) και ένα νετρίνο (ν) που δεν μπορούν να παραμείνουν στο περιβάλλον του πυρήνα (p --> n + β + + ν) Α Ζ Χ A Z-1 Y + β + + ν Ο θυγατρικός πυρήνας που προκύπτει έχει μειωμένο κατά μία μονάδα ατομικό αριθμό (συγκριτικά με το μητρικό), ενώ ο μαζικός αριθμός παραμένει ίδιος. Το 14 8 Ο μετατρέπεται σε 14 7Ν εκπέμποντας ποζιτρόνιο και νετρίνο. Πολυενεργειακά ποζιτρόνια νετρίνα, ορισμένη μέγιστη ενέργεια, ενεργειακό φάσμα Εάν μετά την εκπομπή των σωματιδίων β + παραμένει στο πυρήνα που προκύπτει περίσσεια ενέργειας τούτη εκπέμπεται υπό μορφή μιας ή περισσοτέρων γ-ακτίνων για να φθάσει σε σταθερό ενεργειακό επίπεδο 36

37 Μηχανισμοί Διάσπασης Ραδιοϊσοτόπων (6) Για να πραγματοποιηθεί διάσπαση με εκπομπή ποζιτρονίου, η τιμή του Q πρέπει να είναι μεγαλύτερη ή ίση με 1,02 Mev H ενέργεια αυτή είναι ισοδύναμη με τις μάζες ενός ποζιτρονίου και ενός ηλεκτρονίου σε κατάσταση ηρεμίας (2x0,51=1,02 Mev) και είναι απαραίτητη για να εκτοξευτεί το β + από τον θετικό πυρήνα και για να απομακρυνθεί ένα τροχιακό ηλεκτρόνιο από το θυγατρικό άτομο, μια και ο ατομικός αριθμός ελαττώνεται κατά ένα, για να γίνει ηλεκτρικά ουδέτερο Όταν το ποζιτρόνιο απομακρυνθεί από τον πυρήνα χάνει σύντομα την κινητική του ενέργεια, όταν δε φθάσει στο ενεργειακό επίπεδο των ελευθέρων ηλεκτρονίων του περιβάλλοντος, αντιδρά με ένα από αυτά, οπότε και τα δύο εξαφανίζονται ακαριαία με ταυτόχρονη εκπομπή δύο φωτονίων που έχουν αντίθετη κατεύθυνση 180 ο μεταξύ τους Το φαινόμενο αυτό, όπου παρατηρείται εξαφάνιση της ύλης και μετατροπής της σε ενέργεια, καλείται εξαϋλωση. Κάθε ένα από τα δύο αυτά σωματίδια σε κατάσταση ηρεμίας έχουν μάζα 9,1x10-28 g και σύμφωνα με την εξίσωση του Einstein, η μάζα καθενός από αυτά μετατρέπεται σε φωτόνιο με ενέργεια 0,51 Mev. 37

38 Μηχανισμοί Διάσπασης Ραδιοϊσοτόπων (7) Τα δύο φωτόνια που σχηματίζονται κατευθύνονται με αντίθετη φορά 180 ο ώστε η τελική ορμή να είναι μηδέν. Το φαινόμενο αυτό της παραγωγής ζεύγους γ-ακτίνων χρησιμοποιείται στην Πυρηνική Ιατρική για ποσοτικές και ποιοτικές μετρήσεις με ειδικούς σπινθηρογράφους με δύο κεφαλές ή με ειδικές κάμαρες ποζιτρονίων 38

39 Μηχανισμοί Διάσπασης Ραδιοϊσοτόπων (8) Διάσπαση με σύλληψη τροχιακού ηλεκτρονίου (ΕC) Ένα εσωτερικό τροχιακό ηλεκτρόνιο (e-) έλκεται προς τον πυρήνα, όπου ενώνεται με ένα πρωτόνιο (p) και σχηματίζονται ένα νετρόνιο (n) και ένα νετρίνο (ν), από τα οποία το πρώτο παραμένει στο πυρήνα, ενώ το δεύτερο εκτοξεύεται (p + + e- --> n + ν) Τελικά, η συνολική μεταβολή στον πυρήνα ομοιάζει με εκείνη που προκύπτει κατά τον μηχανισμό διάσπασης με εκπομπή ποζιτρονίων: ένα λιγότερο πρωτόνιο και ένα περισσότερο νετρόνιο Ο πυρήνας του 67 31Ga προσελκύει ένα τροχιακό ηλεκτρόνιο και μετατρέπεται σε 67 30Zn εκπέμποντας ένα νετρίνο Α Ζ Χ + e - A Z-1Y + ν Εάν μετά την εκπομπή του νετρονίου παραμείνει στο πυρήνα που προκύπτει περίσσεια ενέργειας τούτη εκπέμπεται υπό μορφή μίας ή περισσοτέρων γ-ακτίνων για να φθάσει σε σταθερό ενεργειακό επίπεδο Το νετρίνο που σχηματίζεται είναι μονοενεργειακό, γιατί προέρχεται από ηλεκτρόνιο στοιβάδας ορισμένου ενεργειακού επιπέδου και εκπέμπεται μόνο του από τον πυρήνα 39

40 Μηχανισμοί Διάσπασης Ραδιοϊσοτόπων (9) Το τροχιακό ηλεκτρόνιο που προσελκύεται στο πυρήνα προέρχεται συνήθως από την πλησιέστερη προς αυτόν Κ στοιβάδα Μετά την απομάκρυνση του ηλεκτρονίου από τον έξω πυρηνικό χώρο, παραμένει κενό στη τροχιά που προϋπήρχε, και το κενό αυτό συμπληρώνεται με ένα ηλεκτρόνιο από άλλες τροχιές Η μετακίνηση αυτή των ηλεκτρονίων συνοδεύεται με εκπομπή χαρακτηριστικής ενέργειας ακτίνων-χ, που αντιστοιχούν στη διαφορά ενέργειας μεταξύ των δύο στοιβάδων που συμμετέχουν Μερικές από τις χαρακτηριστικές ακτίνες-χ που σχηματίζονται με τον παραπάνω μηχανισμό είναι δυνατόν στην πορεία τους να εξέλθουν από το άτομο, να αλληλεπιδράσουν με ηλεκτρόνιο μεγαλύτερης τροχιάς από αυτή που προέρχονται και να μεταβιβάσουν όλη την ενέργεια τους σε αυτό. Αποτέλεσμα αυτού είναι η ακτίνα-χ να εξαφανιστεί και το διεγερμένο ηλεκτρόνιο να απομακρυνθεί από το άτομο με κινητική ενέργεια ίση με εκείνη της χαρακτηριστικής ακτίνας-χ μείον την τροχιακή του ενέργεια. Τα ηλεκτρόνια αυτά καλούνται ηλεκτρόνια Auger (από το όνομα του Γάλλου επιστήμονα που μελέτησε το φαινόμενο αυτό) και είναι μονοενεργειακά με μικρή κινητική ενέργεια. 40

41 Μηχανισμοί Διάσπασης Ραδιοϊσοτόπων (10) Συμπερασματικά, κατά τον μηχανισμό διάσπασης με σύλληψη τροχιακού ηλεκτρονίου, από τον πυρήνα εκπέμπεται μόνο νετρίνο, ενώ από όλο το άτομο εκπέμπονται επιπλέον χαρακτηριστικές ακτίνες-χ και ηλεκτρόνια Auger 41

42 Μηχανισμοί Διάσπασης Ραδιοϊσοτόπων (11) Οι προϋποθέσεις για να γίνει διάσπαση με σύλληψη τροχιακού ηλεκτρονίου είναι παραπλήσιες με εκείνες που απαιτούνται για να γίνει διάσπαση με εκπομπή ποζιτρονίου και γιαυτό ραδιονουκλίδια με μικρό n/p μπορεί να διασπαστούν με τον ένα ή τον άλλο μηχανισμό από τους οποίους προκύπτει τελικά ο ίδιος θυγατρικός πυρήνας ( A Ζ-1Y). Το ποίος συγκεκριμένος μηχανισμός θα ακολουθηθεί κατά τη διάσπαση εξαρτάται από τον ατομικό αριθμό του ισότοπου και την διαφορά ενέργειας μεταξύ του μητρικού και του θυγατρικού προϊόντος διάσπασης Α) για να γίνει διάσπαση με εκπομπή ποζιτρονίων, πρέπει να υπάρχει τουλάχιστο 1,02 Mev διαφορά ενέργειας μεταξύ του μητρικού και του θυγατρικού πυρήνα (Q >1,02), αλλιώς όταν αυτή είναι μικρότερη, μόνο σύλληψη τροχιακού ηλεκτρονίου είναι πιθανό να συμβεί Β) όταν Q>1,02 είναι δυνατόν η διάσπαση του μητρικού να γίνει σε κάποιο ποσοστό και με τους δύο τρόπους, υπερισχύει δε ο μηχανισμός εκπομπής ποζιτρονίων όταν Ζ είναι μικρό, ενώ όσο το Ζ αυξάνει ευνοείται περισσότερο η σύλληψη ηλεκτρονίων. 42

43 Μηχανισμοί Διάσπασης Ραδιοϊσοτόπων (12) Εκπομπή ακτινοβολίας-γ από διεγερμένους πυρήνες Μετά την εκπομπή σωματιδίων από ασταθή μητρικό πυρήνα, ο θυγατρικός πυρήνα, που σχηματίζεται βρίσκεται σε ανώτερο ενεργειακό επίπεδο από εκείνο της σταθερότητας εκπέμπεται ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία-γ. Η εκπομπή της ακτινοβολίας δεν μεταβάλλει τη δομή του πυρήνα (μαζικό ή ατομικό αριθμό), αλλά μόνο την ενεργειακή του κατάσταση, γίνεται μέσω δύο μηχανισμών: Α) εσωτερικής μετατροπής (ΙC ή internal conversion) και Β) ισομερής μετάπτωσης (ΙΤ ή isomeric transition). 43

44 Μηχανισμοί Διάσπασης Ραδιοϊσοτόπων (13) 44

45 Μηχανισμοί Διάσπασης Ραδιοϊσοτόπων (14) Εσωτερική μετατροπή (IC) Ένα ποσοστό από την γ-ακτινοβολία που εκπέμπει ο πυρήνας, αλληλεπιδρά με ένα περιφερειακό ηλεκτρόνιο Κ,L,M κ.λπ. και μεταβιβάζει όλη την ενέργειά της σε αυτό Αποτέλεσμα είναι αφενός η εξαφάνιση της γ-ακτινοβολίας που αλληλεπιδρά, αφετέρου η εκτόξευση του ηλεκτρονίου από το άτομο, με κινητική ενέργεια ίση με την ενέργεια της γ-μείον την τροχιακή ενέργεια σύνδεσης αυτού Τα ηλεκτρόνια που εκπέμπονται από το άτομο καλούνται ηλεκτρόνια εσωτερικής μετατροπής (IC) και είναι μονοενεργειακά Τα ηλεκτρόνια εσωτερικής μετατροπής προέρχονται από παραπλήσιο μηχανισμό με εκείνο των ηλεκτρονίων Auger Η βασική διαφορά μεταξύ τους είναι ότι, για τα IC αλληλεπιδρούν ακτίνες-γ με τροχιακά ηλεκτρόνια, ενώ για τα Auger ακτίνες-χ 45

46 Μηχανισμοί Διάσπασης Ραδιοϊσοτόπων (15) Η πιθανότητα να προτιμηθεί ο μηχανισμός εσωτερικής μετατροπής κατά την διάσπαση πυρήνα αυξάνει όταν: α) ο ατομικός αριθμός είναι μεγάλος, β) η ενέργεια των ακτίνων-γ που μεταβιβάζεται είναι μικρή και γ) ο χρόνος ζωής του διεγερμένου πυρήνα είναι παρατεταμένος. Η αιτία είναι ότι, όταν ο ατομικός αριθμός είναι μεγάλος η ηλεκτρονική στοιβάδα Κ είναι πιο κοντά στο πυρήνα, και αυξάνεται η δυνατότητα αλληλεπίδρασης των γ. Όσο η ενέργεια των ακτίνων-γ είναι μικρότερη γίνεται πλέον συγκρίσιμη με τις ενέργειες σύνδεσης των ηλεκτρονίων. Όσο πιο παρατεταμένος είναι ο χρόνος διέγερσης τόσο αυξάνει η δυνατότητα να συμβεί αλληλεπίδραση. 46

47 Μηχανισμοί Διάσπασης Ραδιοϊσοτόπων (16) Ταυτόχρονη εκπομπή χαρακτηριστικής ενέργεια ακτίνων-χ, που είναι δυνατό να αλληλεπιδράσουν με τροχιακά ηλεκτρόνια, και να εκτοξευθούν ηλεκτρόνια Auger. Άρα όταν ραδιενεργός πυρήνας διασπάται με τον μηχανισμό εσωτερικής μετατροπής από όλο το άτομο ανιχνεύονται ηλεκτρόνια εσωτερικής μετατροπής, ηλεκτρόνια Auger και χαρακτηριστικές ακτίνες-χ. Η αναλογία του αριθμού των ηλεκτρονίων που σχηματίζονται προς τον αριθμό των γ- ακτίνων που εκπέμπονται καλείται συντελεστής εσωτερικής μετατροπής (α Κ ή L ή Μ ) και έχει τιμές από 1 έως. Κάτω δεξιά από τον συντελεστή αυτό τοποθετείται ένδειξη της στοιβάδας από την οποία προέρχεται το τροχιακό ηλεκτρόνιο. Στο 109m Ag έχουμε α κ =e κ /γ 11 που σημαίνει ότι σε κάθε 12 εκπομπές ακτινοβολίας γ-, από τον πυρήνα, ανιχνεύονται 11 ηλεκτρόνια εσωτερικής μετατροπής από την τροχιά Κ (e K ) και μια ακτίνα-γ. 47

48 Μηχανισμοί Διάσπασης Ραδιοϊσοτόπων (17) Ισομερής μετάπτωση (IΤ) Στη περίπτωση αυτή οι θυγατρικοί πυρήνες του νουκλιδίου παραμένουν σε ανώτερο ασταθές ενεργειακό επίπεδο για μετρήσιμο χρονικό διάστημα και στη συνέχεια εκπέμπονται γ-ακτίνες για να φθάσουν σε χαμηλότερο ενεργειακό επίπεδο. Οι γ-ακτίνες απομακρύνονται από το άτομο που τις εκπέμπει χωρίς να αλληλεπιδράσουν με τα τροχιακά ηλεκτρόνια του ατόμου. Οι μετρήσιμες χρονικά, καταστάσεις διέγερσης του πυρήνα καλούνται μετασταθή επίπεδα και τα ραδιονουκλίδια μετασταθή ή ισομερή. Ο τρόπος διάσπασης καλείται ισομερής μετάπτωση και συμβολίζεται με το γράμμα "m", όπως στην περίπτωση του 99m Tc. O όρος "μετρήσιμο χρονικό διάστημα" παραμονής σε μετασταθές επίπεδο του πυρήνα ενός ραδιοϊσοτόπου είναι αυθαίρετος και αλλάζει με την τεχνολογία. 48

49 Μηχανισμοί Διάσπασης Ραδιοϊσοτόπων (18) Το Ι παρόλο που κατά τη διάσπαση του πυρήνα του εκπέμπεται γ-ακτινοβολία κατατάσσεται μόνο στο μηχανισμό εκπομπής νεγκατρονίων αφού και ο χρόνος ημιζωής των μεταβατικών ενεργειακών επιπέδων του διεγερμένου θυγατρικού πυρήνα είναι πολύ μικρός και δεν είναι μετρήσιμος με την σημερινή τεχνολογία. 49

50 Μηχανισμοί Διάσπασης Ραδιοϊσοτόπων (19) Τα μετασταθή ραδιοϊσότοπα είναι δυνατό να χωριστούν με φυσικούς τρόπους από το μητρικό νουκλίδιο και να χρησιμοποιηθούν στην in vivo διάγνωση για εξωσωματική ανίχνευση (σπινθηρογραφήματα). Πλεονέκτημα αυτών είναι ότι ο ασθενής δεν εκτίθεται σε σωματιδιακή ακτινοβολία μεγάλης ενέργειας, που δεν ανιχνεύεται εξωτερικά, και τα μόνα σωματίδια που εκπέμπουν είναι τα μικρής ενέργειας ηλεκτρόνια Auger και IC εσωτερικής μετατροπής. Άλλο μεγάλο πλεονέκτημα των μετασταθών ραδιοϊσοτόπων είναι η δυνατότητα παρασκευής τους στο τόπο της χρήσης τους με τη βοήθεια του συστήματος γεννητριών. 50

51 Μηχανισμοί Διάσπασης Ραδιοϊσοτόπων (20) 51

52 Μηχανισμοί Διάσπασης Ραδιοϊσοτόπων (21) Περίληψη των βασικών μηχανισμών διάσπασης με εκπομπή σωματιδίων: Περίσσεια νετρονίων και πρωτονίων (κορυφή της λωρίδας) ευνοεί την διάσπαση α, περίσσεια νετρονίων (αριστερά της λωρίδας) ευνοεί την διάσπαση β - και έλλειψη νετρονίων (δεξιά της λωρίδας) ευνοεί την διάσπαση β + ή EC 52

53 Πίνακας νουκλιδίων (1) Τα νουκλίδια έχουν συμπεριληφθεί σε πίνακα, που καλείται πίνακας νουκλιδίων στον οποίο οι θέσεις αυτών ορίζονται από τον ατομικό αριθμό (Ζ) και τον αριθμό νετρονίων (Ν). Στις οριζόντιες γραμμές του πίνακα των νουκλιδίων περιλαμβάνονται τα ισότοπα κάθε στοιχείου (ίδιος ατομικός αριθμός), ενώ στις κάθετες γραμμές περιλαμβάνονται τα ισότονα στοιχεία (ίδιος αριθμός νετρονίων) και στις διαγώνιες σειρές, που ορίζονται από τις ευθείες Ζ+Ν=Α, περιέχονται τα ισοβαρή στοιχεία (ίδιος μαζικός αριθμός). Ο τρόπος διάσπασης συνδέεται με τη θέση του νουκλιδίου στο πίνακα και έχει σχέση με το λόγο που προκαλείται η αστάθεια. Επίσης γενικά, όσο ένα νουκλίδιο είναι μακρύτερα από τη ζώνη σταθερότητας του, τόσο μικρότερος είναι ο χρόνος ημιζωής του (μικρότερη σταθερότητα πυρήνα). Άλλες πληροφορίες που αναφέρονται στους πίνακες νουκλιδίων είναι η ισοτοπική αναλογία (για τα σταθερά), η μάζα, το είδος και η ενέργεια της ακτινοβολίας που εκπέμπει, η ενεργή διατομή κ.ά. 53

54 54

55 55

56 Πίνακας νουκλιδίων (4) 56

57 Πίνακας νουκλιδίων (5) 57