Questo articolo del blog esamina i principi e le applicazioni che hanno portato la fisica nucleare (lo studio dei nuclei atomici) alle moderne tecnologie mediche come la radioterapia e la PET, tramite ciclotroni e isotopi radioattivi.
Perché la fisica nucleare ha portato alla medicina e alla scienza sperimentale?
La fisica nucleare è lo studio dei nuclei atomici. Tuttavia, molti tendono a percepirla esclusivamente come il campo che si occupa dei fenomeni di fissione nucleare che si verificano nelle centrali nucleari. Contrariamente a questa percezione, vari sottoprodotti generati durante la ricerca in fisica nucleare hanno reso possibili esperimenti precedentemente impossibili in altri ambiti della chimica o della fisica, e hanno anche un valore pratico in campo medico.
Ciclotrone: solo un semplice acceleratore di particelle?
Si consideri, ad esempio, il ciclotrone, un acceleratore sviluppato per esperimenti di fisica nucleare. Un ciclotrone è un acceleratore di particelle che induce le particelle in un moto circolare. Strutturalmente, è un dispositivo relativamente semplice costituito da due camere a vuoto a forma di D realizzate con piastre di rame. Questo dispositivo utilizza una tensione di corrente alternata ad alta frequenza per accelerare il flusso di particelle cariche.
Le caratteristiche strutturali del ciclotrone possono essere suddivise in due aspetti principali. La prima caratteristica è che, a differenza degli acceleratori di particelle lineari convenzionali, il ciclotrone è un acceleratore di particelle circolare con due piastre semicircolari a forma di D distanziate tra loro. La seconda caratteristica è che all'interno del ciclotrone, la direzione della frequenza della tensione alternata cambia ogni volta che le particelle attraversano una delle piastre semicircolari. Per accelerare il flusso di particelle, la tensione alternata scorre tra due elettrodi metallici semicircolari all'interno della camera a vuoto. Queste piastre semicircolari sono distanziate a intervalli fissi per garantire che le particelle, iniettate al centro di questo spazio, abbiano spazio per muoversi liberamente. Le piastre semicircolari sono posizionate tra i poli di un elettromagnete che genera un campo elettromagnetico perpendicolare alle piastre degli elettrodi. Il campo magnetico risultante fa sì che il percorso delle particelle si curvi in una forma circolare a causa della forza di Lorentz che agisce perpendicolarmente alla loro direzione di moto. Inoltre, ogni volta che le particelle attraversano lo spazio tra le piastre semicircolari, la direzione della frequenza del campo elettrico cambia. Questa alterazione garantisce che il campo elettrico sia orientato in modo appropriato per accelerare la velocità delle particelle. Di conseguenza, le particelle vengono guidate a seguire orbite circolari di raggio progressivamente maggiore sotto l'influenza della forza elettrica.
Le particelle accelerate in questo modo possono essere utilizzate in esperimenti all'uscita dal ciclotrone, ad esempio facendole collidere con vari materiali o inducendo reazioni nucleari per osservare la creazione di nuove particelle. Tuttavia, le particelle generate in un ciclotrone non servono solo per la semplice sperimentazione, ma svolgono anche un ruolo cruciale in campo medico. In altre parole, il fascio di ioni emesso da un ciclotrone può essere utilizzato per il trattamento del cancro, in linea con il principio fondamentale di una tecnologia medica comunemente nota come radioterapia. Il metodo di irradiazione del sito tumorale di un paziente con protoni accelerati a circa il 60% della velocità della luce in un ciclotrone per distruggere il DNA delle cellule tumorali offre il vantaggio di ridurre al minimo l'impatto sui tessuti sani durante il loro passaggio attraverso il corpo, rispetto alla radioterapia convenzionale. Inoltre, il processo di trattamento è relativamente rapido e causa meno disagio al paziente, un'altra caratteristica significativa. Pertanto, l'applicazione della fisica nucleare dimostra che non è confinata al campo limitato della generazione di elettricità, ma può estendersi a diversi ambiti.
Fisica nucleare nella tecnologia medica
Gli isotopi radioattivi, comunemente utilizzati negli esperimenti di fisica nucleare, sono attivamente utilizzati anche nella tecnologia medica. Sono stati sviluppati dispositivi medici innovativi che utilizzano isotopi radioattivi per ottenere informazioni più dettagliate sul funzionamento interno del corpo umano. Oltre alle tradizionali tecniche di imaging a raggi X, alla tomografia computerizzata (TC) e alla risonanza magnetica (RM), è emersa una tecnologia chiamata tomografia a emissione di positroni (PET) in grado di visualizzare l'attività funzionale del cervello stesso. La PET è un dispositivo che utilizza sostanze marcate con isotopi radioattivi per ottenere immagini di varie regioni del cervello. Il principio alla base della raccolta di immagini PET sfrutta il fenomeno fisiologico per cui il metabolismo del glucosio aumenta nelle regioni cerebrali attivate, portando a un corrispondente aumento del flusso sanguigno. In questo processo, molecole d'acqua contenenti un isotopo con un'emivita estremamente breve di circa due minuti vengono utilizzate per misurare le variazioni del flusso sanguigno. L'esame confronta la risposta del cervello in uno stato senza stimolazione specifica con il suo stato di attivazione quando viene applicata la stimolazione, condotto utilizzando un metodo di imaging tomografico. Tali esempi dimostrano chiaramente come la fisica nucleare possa influenzare positivamente il progresso di altri campi accademici.
L'applicabilità della fisica nucleare
Sia la tecnologia per la generazione di elettricità mediante reazioni di fissione nucleare sia l'applicazione medica degli acceleratori di particelle chiamati ciclotroni sono il risultato dell'applicazione di principi scientifici scoperti durante l'esplorazione dei nuclei atomici. In questo senso, la fisica nucleare non è semplicemente una disciplina focalizzata sulla spiegazione delle proprietà delle particelle; è un campo che guida il progresso di altre discipline accademiche sulla base delle conoscenze accumulate durante la sua ricerca. In conclusione, la fisica nucleare può essere riassunta come una disciplina versatile che non solo esplora i nuclei atomici, ma contribuisce anche al progresso della scienza e della tecnologia nel suo complesso applicando i principi rivelati nel processo a vari campi.
