Изотопы цезия

Нуклиды с атомным номером 55, но с разными массовыми числами.

Цезий ( ₅₅ Cs) имеет 41 известный изотоп , атомные массы этих изотопов колеблются от 112 до 152. Стабилен только один изотоп, ^{133 Cs.} Самыми долгоживущими радиоизотопами являются ¹³⁵ Cs с периодом полураспада 1,33 миллиона лет.¹³⁷
Cs
с периодом полураспада 30,1671 года и ¹³⁴ Cs с периодом полураспада 2,0652 года. Все остальные изотопы имеют период полураспада менее 2 недель, у большинства менее часа.

Начиная с 1945 года, с началом ядерных испытаний , радиоизотопы цезия выбрасываются в атмосферу , где цезий легко растворяется и возвращается на поверхность Земли в составе радиоактивных осадков . Попадая в грунтовые воды, цезий откладывается на поверхности почвы и удаляется из ландшафта в основном за счет переноса частиц. В результате входную функцию этих изотопов можно оценить как функцию времени.

Список изотопов

1. ^m Cs – Возбужденный ядерный изомер .
2. ( ) – Неопределенность (1 σ ) указывается в краткой форме в скобках после соответствующих последних цифр.
3. # - Атомная масса отмечена #: значение и неопределенность получены не на основе чисто экспериментальных данных, но, по крайней мере, частично на основе трендов поверхности массы (TMS).
4. Способы распада:
5. жирный курсив — дочерний продукт почти стабилен.
6. Жирный символ в виде дочернего продукта — дочерний продукт стабилен.
7. ( ) значение вращения — указывает на вращение со слабыми аргументами присваивания.
8. # - Значения, отмеченные #, получены не только на основе экспериментальных данных, но, по крайней мере, частично на основе тенденций соседних нуклидов (TNN).
9. Используется для определения второго
10. Продукт деления

Цезий-131

Цезий-131, введенный в 2004 году компанией Isoray для брахитерапии ^[5] , имеет период полураспада 9,7 дней и энергию 30,4 кэВ.

Цезий-133

Цезий-133 — единственный стабильный изотоп цезия. Базовая единица времени в системе СИ , секунда , определяется конкретным переходом цезия-133 . С 1967 года официальное определение секунды следующее:

Второй, символ s, определяется путем принятия фиксированного численного значения частоты цезия, Δ ν _Cs , невозмущенной частоты сверхтонкого перехода в основное состояние атома цезия-133, ^[6] как9 192 631 770 , если выразить в единицах Гц , что равно с- ¹ .

Цезий-134

Цезий-134 имеет период полураспада 2,0652 года. Он производится как напрямую (с очень небольшим выходом, поскольку ¹³⁴ Xe стабилен) в виде продукта деления , так и посредством захвата нейтронов из нерадиоактивного ^{133 Cs (} сечение захвата нейтронов 29 барнов ), который является обычным продуктом деления. Цезий-134 не образуется в результате бета-распада других нуклидов продуктов деления с массой 134, поскольку бета-распад прекращается при стабильном ¹³⁴ Xe. Он также не производится ядерным оружием , поскольку ¹³³ Cs образуется в результате бета-распада исходных продуктов деления только спустя долгое время после окончания ядерного взрыва.

Общий выход ¹³³ Cs и ¹³⁴ Cs составляет 6,7896%. Пропорция между ними будет меняться при продолжении нейтронного облучения. ¹³⁴ Cs также захватывает нейтроны с сечением 140 барн, превращаясь в долгоживущий радиоактивный ¹³⁵ Cs.

Цезий-134 подвергается бета-распаду (β ^- ), непосредственно производя ¹³⁴ Ba и испуская в среднем 2,23 фотона гамма-излучения (средняя энергия 0,698 МэВ ). ^[7]

Цезий-135

Цезий-135 — слаборадиоактивный изотоп цезия с периодом полураспада 2,3 миллиона лет. Он распадается за счет испускания низкоэнергетической бета-частицы в стабильный изотоп барий-135. Цезий-135 — один из семи долгоживущих продуктов деления и единственный щелочной продукт. В большинстве видов ядерной переработки он остается со среднеживущими продуктами деления (в том числе¹³⁷
Cs , который можно отделить от Cs-135 только путем разделения изотопов , а не от других долгоживущих продуктов деления. За исключением реактора с расплавленной солью , где Cs-135 создается как совершенно отдельный поток вне топлива (после распада Xe-135, отделенного пузырьками). Низкая энергия распада , отсутствие гамма-излучения и длительный период полураспада ¹³⁵ Cs делают этот изотоп гораздо менее опасным, чем ¹³⁷ Cs или ¹³⁴ Cs.

Его предшественник ¹³⁵ Xe имеет высокий выход продуктов деления (например, 6,3333% для ²³⁵ U и тепловых нейтронов ), но также имеет самое высокое известное сечение захвата тепловых нейтронов среди всех нуклидов. Из-за этого большая часть ¹³⁵ Xe, производимого в современных тепловых реакторах (до >90% при установившейся полной мощности) ^[8] будет преобразована в чрезвычайно долгоживущие (период полураспада порядка 10 ²¹ года) )¹³⁶
Xe, прежде чем он сможет распасться на¹³⁵
Cs , несмотря на относительно короткий период полураспада¹³⁵
Ксе . Мало или нет¹³⁵
Xe будет уничтожен путем захвата нейтронов после остановки реактора или в реакторе с расплавленными солями , который непрерывно удаляет ксенон из топлива, в реакторе на быстрых нейтронах или в ядерном оружии. Ксеноновая яма — это явление избыточного поглощения нейтронов через¹³⁵
Накопление Xe в реакторе после снижения мощности или остановки часто контролируется путем¹³⁵
Xe распадается до уровня, при котором нейтронный поток снова можно безопасно контролировать с помощью регулирующих стержней .

Ядерный реактор также будет производить гораздо меньшие количества ¹³⁵ Cs из нерадиоактивного продукта деления ¹³³ Cs путем последовательного захвата нейтронов до ¹³⁴ Cs, а затем ^{до 135} Cs.

Сечение захвата тепловых нейтронов и резонансный интеграл 135 Cs составляют ^8,3 ± 0,3 и 38,1 ± 2,6 барн соответственно. ^[9] Утилизация ¹³⁵ Cs путем ядерной трансмутации затруднена из-за низкого поперечного сечения, а также потому, что нейтронное облучение цезия смешанного изотопного деления дает больше ¹³⁵ Cs из стабильного ¹³³ Cs. Кроме того, высокая среднесрочная радиоактивность ¹³⁷ Cs затрудняет обращение с ядерными отходами. ^[10]

• Информационный бюллетень АНЛ

Цезий-136

Период полураспада цезия-136 составляет 13,16 дней. Он производится как напрямую (с очень небольшим выходом, поскольку ¹³⁶ Xe бета-стабилен ) в виде продукта деления, так и посредством захвата нейтронов из долгоживущего ¹³⁵ Cs (сечение нейтронного захвата 8,702 барна), который является обычным продуктом деления. Цезий-136 не образуется в результате бета-распада других нуклидов продуктов деления с массой 136, поскольку бета-распад прекращается при почти стабильном ¹³⁶ Xe. Он также не производится ядерным оружием, поскольку ¹³⁵ Cs образуется в результате бета-распада исходных продуктов деления только спустя долгое время после окончания ядерного взрыва.¹³⁶ Cs также захватывает нейтроны с сечением 13,00 барн, превращаясь в среднеживущий радиоактивный ¹³⁷ Cs. Цезий-136 подвергается бета-распаду (β-), непосредственно производя ¹³⁶ Ba.

Цезий-137

Цезий-137 с периодом полураспада 30,17 лет является одним из двух основных среднеживущих продуктов деления , наряду с ⁹⁰ Sr , который отвечает за большую часть радиоактивности отработавшего ядерного топлива после нескольких лет охлаждения, вплоть до несколько сотен лет после использования. Он составляет большую часть радиоактивности, оставшейся после чернобыльской аварии , и представляет собой серьезную проблему для здоровья при обеззараживании земель вблизи атомной электростанции Фукусима . ^{[11] Бета -137} Cs распадается на барий-137m (короткоживущий ядерный изомер ), а затем на нерадиоактивный барий-137 . Цезий-137 непосредственно не излучает гамма-излучение, все наблюдаемое излучение обусловлено дочерним изотопом барием-137m.

¹³⁷ Cs имеет очень низкую скорость захвата нейтронов, и от него пока невозможно избавиться таким способом, если не будут достигнуты успехи в коллимации нейтронного пучка (не достижимой иначе с помощью магнитных полей), доступной только в экспериментах по термоядерному синтезу, катализируемому мюонами (не в других формах). ускорителя трансмутации ядерных отходов ) позволяет производить нейтроны с достаточно высокой интенсивностью, чтобы компенсировать и преодолеть эти низкие скорости захвата; до тех пор, следовательно, ¹³⁷ Cs нужно просто позволить распасться.

¹³⁷ Cs использовался в качестве индикатора в гидрологических исследованиях, аналогично использованию 3 H.

Другие изотопы цезия

Остальные изотопы имеют период полураспада от нескольких дней до долей секунды. Почти весь цезий, образующийся в результате ядерного деления, происходит в результате бета-распада первоначально более богатых нейтронами продуктов деления, проходя через изотопы йода, а затем через изотопы ксенона . Поскольку эти элементы летучи и могут диффундировать через ядерное топливо или воздух, цезий часто образуется далеко от исходного места деления.

Рекомендации

1. Кондев, ФГ; Ван, М.; Хуанг, WJ; Наими, С.; Ауди, Г. (2021). «Оценка ядерных свойств NUBASE2020» (PDF) . Китайская физика C . 45 (3): 030001. doi :10.1088/1674-1137/abddae.
2. "Измерения периода полураспада радионуклидов NIST" . НИСТ . Проверено 13 марта 2011 г.
3. «Стандартный атомный вес: цезий». ЦИАВ . 2013.
4. Прохаска, Томас; Ирргехер, Йоханна; Бенефилд, Жаклин; Бёлке, Джон К.; Чессон, Лесли А.; Коплен, Тайлер Б.; Дин, Типинг; Данн, Филип Дж. Х.; Грёнинг, Манфред; Холден, Норман Э.; Мейер, Харро Эй Джей (04 мая 2022 г.). «Стандартные атомные веса элементов 2021 (Технический отчет ИЮПАК)». Чистая и прикладная химия . doi : 10.1515/pac-2019-0603. ISSN  1365-3075.
5. Исорай. «Почему Цезий-131».
6. Хотя используемая здесь фаза более краткая, чем в предыдущем определении, она имеет то же значение. Это поясняется в 9-й брошюре SI, которая почти сразу после определения на стр. 130 гласит: «Следствием этого определения является то, что секунда равна продолжительности9 192 631 770 периодов излучения, соответствующих переходу между двумя сверхтонкими уровнями невозмущенного основного состояния атома ¹³³ Cs».
7. «Характеристики цезия-134 и цезия-137». Японское агентство по атомной энергии. Архивировано из оригинала 4 марта 2016 г. Проверено 23 октября 2014 г.
8. Джон Л. Гро (2004). «Дополнение к главе 11 Основы физики реакторов» (PDF) . Проект КАНТЕАЧ. Архивировано из оригинала (PDF) 10 июня 2011 года . Проверено 14 мая 2011 г.
9. Хацукава, Ю.; Синохара, Н.; Хата, К.; и другие. (1999). «Сечение тепловых нейтронов и резонансный интеграл реакции 135Cs(n,γ)136Cs: Фундаментальные данные по трансмутации ядерных отходов». Журнал радиоаналитической и ядерной химии . 239 (3): 455–458. дои : 10.1007/BF02349050. S2CID  97425651.
10. Оки, Сигео; Такаки, ​​Наоюки (2002). «Трансмутация цезия-135 с помощью быстрых реакторов» (PDF) . Материалы седьмого совещания по обмену информацией по разделению и трансмутации актинидов и продуктов деления, Чеджу, Корея .
11. Деннис (1 марта 2013 г.). «Охлаждение горячей зоны». Наука . 339 (6123): 1028–1029. дои : 10.1126/science.339.6123.1028. ПМИД  23449572.

• Массы изотопов из:
  • Ауди, Жорж; Берсильон, Оливье; Блашо, Жан; Вапстра, Аалдерт Хендрик (2003), «Оценка NUBASE свойств ядра и распада», Nuclear Physics A , 729 : 3–128, Bibcode : 2003NuPhA.729....3A, doi : 10.1016/j.nuclphysa.2003.11. 001
• Изотопный состав и стандартные атомные массы из:
  • де Лаэтер, Джон Роберт ; Бёлке, Джон Карл; Де Бьевр, Поль; Хидака, Хироши; Пейзер, Х. Штеффен; Росман, Кевин-младший; Тейлор, Филип Д.П. (2003). «Атомные массы элементов. Обзор 2000 г. (Технический отчет ИЮПАК)». Чистая и прикладная химия . 75 (6): 683–800. дои : 10.1351/pac200375060683 .
  • Визер, Майкл Э. (2006). «Атомные массы элементов 2005 г. (Технический отчет ИЮПАК)». Чистая и прикладная химия . 78 (11): 2051–2066. дои : 10.1351/pac200678112051 .
• «Новости и уведомления: пересмотренные стандартные атомные веса». Международный союз теоретической и прикладной химии . 19 октября 2005 г.
• Данные о периоде полураспада, спине и изомерах выбраны из следующих источников.
  • Ауди, Жорж; Берсильон, Оливье; Блашо, Жан; Вапстра, Аалдерт Хендрик (2003), «Оценка NUBASE свойств ядра и распада», Nuclear Physics A , 729 : 3–128, Bibcode : 2003NuPhA.729....3A, doi : 10.1016/j.nuclphysa.2003.11. 001
  • Национальный центр ядерных данных . «База данных NuDat 2.x». Брукхейвенская национальная лаборатория .
  • Холден, Норман Э. (2004). «11. Таблица изотопов». В Лиде, Дэвид Р. (ред.). Справочник CRC по химии и физике (85-е изд.). Бока-Ратон, Флорида : CRC Press . ISBN 978-0-8493-0485-9.