Isomeri nucleari: stati eccitati e metastabili

Il chimico tedesco Otto Hahn nel 1921 scoprì gli isomeri nucleari mentre lavorava presso l’ Istituto di chimica Kaiser Wilhelm a Berlino.
Gli isomeri nucleari sono atomi sono costituiti dallo stesso numero di protoni e dallo stesso numero di neutroni ovvero hanno stesso numero di massa e numero atomico.

Essi differiscono per energia e modalità di decadimento radioattivo e presentano diversi stati di eccitazione nel nucleo atomico.
Lo stato più alto o più eccitato è chiamato stato metastabile, mentre lo stato stabile e non eccitato è chiamato stato fondamentale.

Un isomero nucleare è uno stato metastabile ottenuto dall’eccitazione di un protone o un neutrone nel nucleo atomico. A seguito di questo fenomeno è necessario un cambiamento nel suo spin affinché possa perdere l’energia in suo possesso e decadere in uno stato non eccitato.

Gli isomeri nucleari si formano come risultato diretto di reazioni come il bombardamento di nuclei da parte di particelle subatomiche o come prodotti di decadimento intermedi di nuclei radioattivi.

Stati eccitati metastabili

Il termine isomero è preso in prestito dalla chimica e deriva dal greco ἰσομερής, composto di ἴσος, “uguale” e μέρος “parte” . Questo è un termine  è utilizzato per indicare composti che hanno la stessa formula molecolare ma diverse strutture chimiche.

Tuttavia, mentre gli isomeri chimici presentano stati energetici simili e a volte uguali, gli isomeri nucleari hanno sempre energie diverse. Esse  possono differire anche di alcuni MeV. Il nucleo di un isomero nucleare ha un’energia maggiore rispetto a quella di un nucleo allo stato fondamentale.

Nello stato eccitato uno o più protoni o neutroni occupano un orbitale nucleare a maggior energia e decadono spesso con emissione di luce nel campo del visibile. Tuttavia a causa delle energie di legame molto più elevate coinvolte nei processi nucleari, la maggior parte degli stati eccitati nucleari decade con emissione di raggi γ

Esempi di isomeri nucleari

Un esempio interessante di isomero nucleare è il ^99mTc in cui la lettera “m” indicata dopo il numero di massa  denota uno stato metastabile. Il suo tempo di dimezzamento è  di sei ore e la sua energia di eccitazione rispetto allo stato fondamentale nucleare è di 143 keV. L’isotopo ⁹⁹Tc ha invece un tempo di dimezzamento di 210000 anni

Occasionalmente le emivite sono molto più lunghe come nel caso di ^180mTa di cui si stima un tempo di dimezzamento di 10¹⁵ anni.

A volte, il decadimento γ da uno stato metastabile è detto transizione isomerica.

Usi

Uno degli usi più diffusi in campo medico degli isomeri nucleari è la scintigrafia con radionuclidi che utilizza le radiazioni rilasciate dai radionuclidi per produrre immagini

Il radionuclide abitualmente utilizzato è  il ^99mTc che può anche essere combinato con composti stabili e metabolicamente attivi. Esso forma così un radiofarmaco che si localizza in una particolare struttura anatomica. Dopo la somministrazione del radiofarmaco esso raggiunge l’organo bersaglio, le immagini sono acquisite con una gamma camera che rileva il segnale emesso. L’insieme di tali segnali è elaborato da una workstation o server dedicato che ricostruisce una mappa dell’apparato

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