Isotopes du césium

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Le césium (Cs) possède 40 isotopes connus, de nombre de masse variant entre 112 et 151 et 17 isomères nucléaires. Seul un isotope, 133Cs est stable faisant du césium un élément monoisotopique. Cet isotope étant également le seul présent dans la nature, il fait du césium un élément mononucléidique, ce qui permet de lui attribuer une masse atomique standard de standard 132,9054519(2) u.

Les radioisotopes de plus longue durée de vie sont 135Cs avec une demi-vie de 2,3 millions d'années, 137Cs (30,1671 années) et 134Cs (2,0652 années). Tous les autres isotopes ont des demi-vies inférieures à deux semaines, et la plupart d'entre eux inférieure à une heure. Les isomères plus lourds que 133Cs se désintègrent principalement par désintégration β- en isotopes du baryum, les plus légers principalement par émission de positron+) (a l’exception des deux plus légers qui se désintègrent principalement par émission de proton) en isotopes du xénon, mais aussi en isotopes de l'iode et du tellure.

À partir de 1945 avec le début des essais nucléaires, des isotopes du césium ont été relâchés dans l'atmosphère où ils ont été rapidement absorbés par l'eau et retournent sur la surface comme composés des retombées radioactives. Une fois que le césium pénètre dans l'eau sur terre, il se dépose dans les alluvions et est déplacé par transport de particules. En conséquence, la fonction d'entrée de ces isotopes peut être estimée comme une fonction du temps.

Isotopes notables[modifier | modifier le code]

Césium 133[modifier | modifier le code]

Article détaillé : Césium.

Le césium 133 (133Cs) est l'isotope du césium dont le noyau est constitué de 55 protons et de 78 neutrons. C'est le seul isotope stable et le seul isotope présent dans la nature du césium. Il est aussi produit par fission nucléaire dans les réacteurs nucléaires. Un transition quantique spécifique du césium 133 est utilisé pour définir la seconde.

Césium 134[modifier | modifier le code]

Le césium 134 (134Cs) est l'isotope du césium dont le noyau est constitué de 55 protons et de 79 neutrons. Il a une demi-vie de 2,0652 années. Il est produit directement à la fois comme produit de fission et par capture neutronique du césium 133 non radioactif (section efficace de 29 barns). Le césium 134 n'est pas produit par désintégration β d'autres isotopes de masse 134 car celle-ci s'arrête au 134Xe qui est stable. Il n'est pas produit par les armes nucléaires car 133Cs est produit par désintégration β du produit de fission d'origine seulement longtemps après que l'explosion ait eu lieu. Le rendement combiné de 133Cs et de 134Cs est de 6,7896 %. La proportion entre les deux change sous irradiation continue de neutrons. 134Cs capture aussi les neutrons avec une section efficace de 140 barns, devenant le radioisotope à longue vie 135Cs.

Le césium 134 subit une désintégration β produisant directement le baryum 134 en émettant un rayonnement gamma de 1,6 MeV.

Césium 135[modifier | modifier le code]

Produits de fission
à vie longue
Propriété :
Unité :
t½
Ma
Rendement
%
Q *
KeV
βγ
*
99Tc 0,211 6,1385 294 β
126Sn 0,230 0,1084 4050 βγ
79Se 0,327 0,0447 151 β
93Zr 1,53 5,4575 91 βγ
135Cs 2,3  6,9110 269 β
107Pd 6,5  1,2499 33 β
129I 15,7  0,8410 194 βγ

Le césium 135 (135Cs) est l'isotope du césium dont le noyau est constitué de 55 protons et de 80 neutrons. C'est un isotope faiblement radioactif du césium, qui subit une désintégration β de faible énergie pour former le baryum 135 avec une demi-vie de 2,3 millions d'années. C'est l'un des sept produits de fission à vie longue et le seul de la série des alcalins. Dans le traitement du combustible nucléaire usé, il reste avec 137Cs et les autres produits de fission à vie moyenne plutôt qu'avec les autres produits de fission à vie longue. sa faible énergie de désintégration, l'absence de rayonnement gamma et sa longue demi-vie font du 135Cs un isotope moins dangereux que le 137Cs ou le 134Cs.

Son précurseur, le 135Xe a un haut rendement de produit de fission (par exemple 6,3333 % pour de l'235U et des neutrons thermiques) mais aussi la plus grande section efficace de capture de neutrons thermiques connue. En conséquence, la plupart du 135Xe produit dans les réacteurs à neutrons thermiques (plus de 90 % à l'état d'équilibre à pleine puissance)[1] est convertie en 136Xe stable, avant de pouvoir se désintégrer en 135Cs. Peu ou pas de 135Xe est détruit par capture neutronique après l'extinction du réacteur, dans les réacteurs à sels fondus qui retirent continuellement le xénon de son combustible, dans les réacteurs à neutrons rapides, ou dans les armes nucléaires.

La section efficace de capture des neutrons thermiques et la résonance intégrale du 135Cs sont de 8.3 ± 0.3 et 38.1 ± 2.6 barns respectivement[2]. Le traitement du 135Cs par transmutation nucléaire est difficile à cause de sa faible section efficace et parce que l'irradiation par neutron du mélange d'isotopes du césium de fission produit plus de 135Cs à partir du 133Cs. De plus, la forte radioactivité à vie moyenne du césium 137 rendent la manipulation de ce déchet nucléaire délicate[3].

Césium 137[modifier | modifier le code]

Article détaillé : césium 137.

Le césium 137 (137Cs) est l'isotope du césium dont le noyau est constitué de 55 protons et de 82 neutrons. Avec une demi-vie de 30,15 ans c'est l'un des deux principaux produits de fission à vie moyenne avec le 90Sr responsable de la radioactivité du combustible nucléaire usé après quelques années de refroidissement, jusqu'à quelques centaines d'années après utilisation. Il constitue la plus grande partie de la radioactivité résiduelle après l'accident de Tchernobyl. 137Cs se désintègre par radiation β- en baryum 137 m, un isomère nucléaire à courte durée de vie, puis en baryum 137 non radioactif, et est aussi un fort émetteur de rayons gamma. 137Cs a un très faible taux de capture neutronique et ne peut donc pas être détruit de cette façon, mais doit être laissé à se désintégrer. 137Cs a été utilisé comme traceur pour des études hydrologiques, de façon analogue au 3H.

Autres isotopes[modifier | modifier le code]

Les autres isotopes du césium ont des demi-vies variant de quelques jours à quelques fractions de seconde. Tous les isotopes produits par fission nucléaire proviennent de désintégration β de produits de fissions à l'origine plus riches en neutrons à travers des isotopes de l'iode puis des isotopes du xénon. Comme ces éléments sont volatils et peuvent se diffuser via le combustible nucléaire ou l'air, le césium est souvent formé loin du site de fission d'origine.

Table des isotopes[modifier | modifier le code]

Symbole
de l’isotope
Z (p) N (n) masse isotopique (u) demi-vie mode(s) de
désintégration[4],[5]
isotope(s)-fils[n 1] spin nucléaire composition isotopique
représentative
(fraction molaire)
Gamme de variations
naturelles
(fraction molaire)
énergie d'excitation
112Cs 55 57 111,95030(33)# 500(100) µs p 111Xe 1+#
α 108I
113Cs 55 58 112,94449(11) 16,7(7) µs p (99,97 %) 112Xe 5/2+#
β+ (0,03 %) 113Xe
114Cs 55 59 113,94145(33)# 0,57(2) s β+ (91,09 %) 114Xe (1+)
β+, p (8,69 %) 113I
β+, α (0,19 %) 110Te
α (0,018 %) 110I
115Cs 55 60 114,93591(32)# 1,4(8) s β+ (99,93 %) 115Xe 9/2+#
β+, p (0,07 %) 114I
116Cs 55 61 115,93337(11)# 0,70(4) s β+ (99,67 %) 116Xe (1+)
β+, p (0,279 %) 115I
β+, α (0,049 %) 112Te
116mCs 100(60)# keV 3,85(13) s β+ (99,48 %) 116Xe 4+,5,6
β+, p (0,51 %) 115I
β+, α (0,008 %) 112Te
117Cs 55 62 116,92867(7) 8,4(6) s β+ 117Xe (9/2+)#
117mCs 150(80)# keV 6,5(4) s β+ 117Xe 3/2+#
118Cs 55 63 117,926559(14) 14(2) s β+ (99,95 %) 118Xe 2
β+, p (0,042 %) 117I
β+, α (0,0024 %) 114Te
118mCs 100(60)# keV 17(3) s β+ (99,95 %) 118Xe (7-)
β+, p (0,042 %) 117I
β+, α (0,0024 %) 114Te
119Cs 55 64 118,922377(15) 43,0(2) s β+ 119Xe 9/2+
β+, α (2×10−6 %) 115Te
119mCs 50(30)# keV 30,4(1) s β+ 119Xe 3/2(+)
120Cs 55 65 119,920677(11) 61,2(18) s β+ 120Xe 2(-#)
β+, α (2×10−5 %) 116Te
β+, p (7×10−6 %) 118I
120mCs 100(60)# keV 57(6) s β+ 120Xe (7-)
β+, α (2×10−5 %) 116Te
β+, p (7×10−6 %) 118I
121Cs 55 66 120,917229(15) 155(4) s β+ 121Xe 3/2(+)
121mCs 68,5(3) keV 122(3) s β+ (83 %) 121Xe 9/2(+)
TI (17 %) 121Cs
122Cs 55 67 121,91611(3) 21,18(19) s β+ 122Xe 1+
β+, α (2×10−7 %) 118Te
122m1Cs 45,8 keV >1 µs (3)+
122m2Cs 140(30) keV 3,70(11) min β+ 122Xe 8-
122m3Cs 127,0(5) keV 360(20) ms (5)-
123Cs 55 68 122,912996(13) 5,88(3) min β+ 123Xe 1/2+
123m1Cs 156,27(5) keV 1,64(12) s TI 123Cs (11/2)-
123m2Cs 231,63+X keV 114(5) ns (9/2+)
124Cs 55 69 123,912258(9) 30,9(4) s β+ 124Xe 1+
124mCs 462,55(17) keV 6,3(2) s TI 124Cs (7)+
125Cs 55 70 124,909728(8) 46,7(1) min β+ 125Xe 1/2(+)
125mCs 266,6(11) keV 900(30) ms (11/2-)
126Cs 55 71 125,909452(13) 1,64(2) min β+ 126Xe 1+
126m1Cs 273,0(7) keV >1 µs
126m2Cs 596,1(11) keV 171(14) µs
127Cs 55 72 126,907418(6) 6,25(10) h β+ 127Xe 1/2+
127mCs 452,23(21) keV 55(3) µs (11/2)-
128Cs 55 73 127,907749(6) 3,640(14) min β+ 128Xe 1+
129Cs 55 74 128,906064(5) 32,06(6) h β+ 129Xe 1/2+
130Cs 55 75 129,906709(9) 29,21(4) min β+ (98,4 %) 130Xe 1+
β- (1,6 %) 130Ba
130mCs 163,25(11) keV 3,46(6) min TI (99,83 %) 130Cs 5-
β+ (0,16 %) 130Xe
131Cs 55 76 130,905464(5) 9,689(16) j CE 131Xe 5/2+
132Cs 55 77 131,9064343(20) 6,480(6) j β+ (98,13 %) 132Xe 2+
β- (1,87 %) 132Ba
133Cs[n 2],[n 3] 55 78 132,905451933(24) Stable[n 4] 7/2+ 1,0000
134Cs[n 3] 55 79 133,906718475(28) 2,0652(4) a β- 134Ba 4+
CE (3×10−4 %) 134Xe
134mCs 138,7441(26) keV 2,912(2) h TI 134Cs 8-
135Cs[n 3] 55 80 134,9059770(11) 2,3(3)×106 a β- 135Ba 7/2+
135mCs 1632,9(15) keV 53(2) min TI 135Cs 19/2-
136Cs 55 81 135,9073116(20) 13,16(3) j β- 136Ba 5+
136mCs 518(5) keV 19(2) s β- 136Ba 8-
TI 136Cs
137Cs[n 3] 55 82 136,9070895(5) 30,1671(13) a β- (95 %) 137mBa 7/2+
β- (5 %) 137Ba
138Cs 55 83 137,911017(10) 33,41(18) min β- 138Ba 3-
138mCs 79,9(3) keV 2,91(8) min TI (81 %) 138Cs 6-
β- (19 %) 138Ba
139Cs 55 84 138,913364(3) 9,27(5) min β- 139Ba 7/2+
140Cs 55 85 139,917282(9) 63,7(3) s β- 140Ba 1-
141Cs 55 86 140,920046(11) 24,84(16) s β- (99,96 %) 141Ba 7/2+
β-, n (0,0349 %) 140Ba
142Cs 55 87 141,924299(11) 1,689(11) s β- (99,9 %) 142Ba 0-
β-, n (0,091 %) 141Ba
143Cs 55 88 142,927352(25) 1,791(7) s β- (98,38 %) 143Ba 3/2+
β-, n (1,62 %) 142Ba
144Cs 55 89 143,932077(28) 994(4) ms β- (96,8 %) 144Ba 1(-#)
β-, n (3,2 %) 143Ba
144mCs 300(200)# keV <1 s β- 144Ba (>3)
TI 144Cs
145Cs 55 90 144,935526(12) 582(6) ms β- (85,7 %) 145Ba 3/2+
β-, n (14,3 %) 144Ba
146Cs 55 91 145,94029(8) 0,321(2) s β- (85,8 %) 146Ba 1-
β-, n (14,2 %) 145Ba
147Cs 55 92 146,94416(6) 0,235(3) s β- (71,5 %) 147Ba (3/2+)
β-, n (28,49 %) 147Ba
148Cs 55 93 147,94922(62) 146(6) ms β- (74,9 %) 148Ba
β-, n (25,1 %) 147Ba
149Cs 55 94 148,95293(21)# 150# ms [>50 ms] β- 149Ba 3/2+#
β-, n 148Ba
150Cs 55 95 149,95817(32)# 100# ms [>50 ms] β- 150Ba
β-, n 149Ba
151Cs 55 96 150,96219(54)# 60# ms [>50 ms] β- 151Ba 3/2+#
β-, n 150Ba
  1. Isotopes stables en gras
  2. Utilisé pour définir la seconde
  3. a, b, c et d Produit de fission
  4. On pense qu'il est capable de fission spontanée

Remarques[modifier | modifier le code]

  • Les valeurs marquées # ne sont pas purement dérivées des données expérimentales, mais aussi au moins en partie à partir des tendances systématiques. Les spins avec des arguments d'affectation faibles sont entre parenthèses.
  • Les incertitudes sont données de façon concise entre parenthèses après la décimale correspondante. Les valeurs d'incertitude dénotent un écart-type, à l'exception de la composition isotopique et de la masse atomique standard de l'IUPAC qui utilisent des incertitudes élargies.

Notes et références[modifier | modifier le code]

  1. (en) John L. Groh, « Supplement to Chapter 11 of Reactor Physics Fundamentals », CANTEACH project,‎ 2004 (consulté le 14 May 2011)
  2. (en) Y. Hatsukawa, « Thermal neutron cross section and resonance integral of the reaction of135Cs(n,γ)136Cs: Fundamental data for the transmutation of nuclear waste », Journal of Radioanalytical and Nuclear Chemistry, vol. 239, no 3,‎ 1999, p. 455–458 (DOI 10.1007/BF02349050, lire en ligne)
  3. (en) Shigeo Ohki, « Transmutation of Cesium-135 With Fast Reactors », Proc. of The Seventh Information Exchange Meeting on Actinide and Fission Product Partitioning & Transmutation, Cheju, Korea,‎ 2002 (lire en ligne)
  4. http://www.nucleonica.net/unc.aspx
  5. Abréviations :
    CE : capture électronique
    TI: transition isomérique