I radioisotopi, o radionuclidi, sono forme instabili di materia elementare create dall’uomo o presenti in natura. Tutti subiscono un processo spontaneo di decadimento radioattivo attraverso l’emissione di particelle alfa e beta, raggi gamma e altro. Tutti gli elementi della tavola periodica con numero atomico maggiore di 83 sono radioisotopi. Ci sono oltre 800 radioisotopi conosciuti che sono stati identificati, con ulteriori 275 isotopi esistenti in generale dagli 81 elementi stabili sulla tavola periodica.
Gli isotopi sono forme di un elemento con un numero variabile di neutroni nel nucleo dell’atomo. Quando i radioisotopi decadono, si trasformano lentamente in altri isotopi dello stesso elemento guadagnando o perdendo neutroni, e alla fine diventano completamente altri elementi. Questo dipende dal loro tasso di decadimento, che è noto come emivita. Gli usi dei radioisotopi spesso dipendono dalla loro emivita, che è il tempo impiegato dalla metà della massa di un materiale radioattivo per decadere in un altro materiale. Il carbonio, che è stabile a 12C e 13C, è un radioisotopo a 8C o 14C, con il carbonio-14 che ha il tasso di decadimento più lento con un’emivita di 5,700 anni. Per questo motivo, e per il fatto che si trova in natura, il 14C viene utilizzato per la datazione al carbonio di fossili e manufatti umani delle società antiche.
In un atomo instabile l’equilibrio protone/neutrone è leggermente diverso dalla sua forma stabile, con conseguente sbilanciamento dell’energia di legame del nucleo. Man mano che gli elementi diventano più pesanti, nel nucleo devono esistere più neutroni per bilanciare le forze di repulsione protone-protone. Ad esempio, l’uranio-238 è stabile, perché ha 92 protoni e 146 neutroni in un nucleo. I radioisotopi nucleari come l’uranio-235 sono instabili, tuttavia, con 92 protoni e 143 neutroni, quindi decadono molto lentamente, con un’emivita di 700 milioni di anni. Forzare l’uranio-235 a decadere a una velocità maggiore mediante bombardamento di neutroni provoca la creazione di un nucleo molto instabile che essenzialmente si fa saltare in aria e avvia una reazione a catena nota come fissione.
Anche i radioisotopi medici come lo iodio si trovano al di fuori di quella che è nota come banda di stabilità, ma, in questo caso, offrono caratteristiche benefiche. Lo iodio-131 ha quattro neutroni in più rispetto alla sua controparte stabile e ha un’emivita di otto giorni. Poiché lo iodio può essere ingerito in modo sicuro, viene utilizzato in medicina come una forma di tracciante o agente di imaging. Lo iodio-125 viene anche utilizzato iniettandolo direttamente nei tumori in una procedura nota come brachiterapia, per distruggere lentamente le cellule tumorali attraverso le radiazioni, con un’emivita di 60 giorni. I radioisotopi nelle applicazioni mediche includono anche l’iridio-192 con un’emivita di 72 giorni e il palladio-103 con un’emivita di 17 giorni.