Isotopes du césium

Le césium (Cs) possède 40 isotopes connus, de nombre de masse variant entre 112 et 151, ainsi que 17 isomères nucléaires. Seul un isotope, ¹³³Cs est stable et est aussi le seul présent dans la nature, faisant du césium élément monoisotopique mais aussi un élément mononucléidique. Sa masse atomique standard et donc la masse isotopique de ¹³³Cs, 132,905 451 9(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 (β⁺) (a l’exception des deux plus légers qui se désintègrent principalement par émission de proton) en isotopes du xénon, mais aussi marginalement 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

Césium 133

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 naturel du césium. Il est aussi produit par fission nucléaire dans les réacteurs nucléaires. Une transition quantique spécifique dans le nuage électronique du césium 133 est utilisé pour définir la seconde.

Césium 134

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

Produits de fission
à vie longue
Propriété : Unité :	t^½ Ma	Rendement %	Q * keV	βγ *
⁹⁹Tc	0,211	6,1385	294	β
¹²⁶Sn	0,230	0,1084	4 050	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 une des radioactivités éteintes.

¹³⁵Cs 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

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 ^137mBa (baryum 137 métastable), un isomère nucléaire de courte demi-vie et intense émetteur de rayons gamma, puis en baryum 137 non radioactif. 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 tritium ³H.

Autres isotopes

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.

Symbole de l'isotope	Z (p)	N (n)	masse isotopique (u)	Demi-vie	Mode(s) de désintégration[4]^,[n 1]	Isotope(s)-fils[n 2]	Spin nucléaire
Symbole de l'isotope	Énergie d'excitation			Demi-vie	Mode(s) de désintégration[4]^,[n 1]	Isotope(s)-fils[n 2]	Spin nucléaire
¹¹²Cs	55	57	111,95030(33)#	500(100) µs	p	¹¹¹Xe	1+#
¹¹²Cs	55	57	111,95030(33)#	500(100) µs	α	¹⁰⁸I	1+#
¹¹³Cs	55	58	112,94449(11)	16,7(7) µs	p (99,97 %)	¹¹²Xe	5/2+#
¹¹³Cs	55	58	112,94449(11)	16,7(7) µs	β⁺ (0,03 %)	¹¹³Xe	5/2+#
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+#
¹¹⁵Cs	55	60	114,93591(32)#	1,4(8) s	β⁺, p (0,07 %)	¹¹⁴I	9/2+#
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+
¹¹⁹Cs	55	64	118,922377(15)	43,0(2) s	β⁺, α (2×10⁻⁶ %)	¹¹⁵Te	9/2+
^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(+)
^121mCs	68,5(3) keV			122(3) s	TI (17 %)	¹²¹Cs	9/2(+)
¹²²Cs	55	67	121,91611(3)	21,18(19) s	β⁺	¹²²Xe	1+
¹²²Cs	55	67	121,91611(3)	21,18(19) s	β⁺, α (2×10⁻⁷ %)	¹¹⁸Te	1+
^122m1Cs	45,8 keV			>1 µs			(3)+