Il Cesio (nella tavola periodica Cs), numero atomico 55, ha 40 isotopi noti. La loro massa atomica varia da 112 a 151. Soltanto un isotopo, il 133Cs, è stabile. I radioisotopi a vita più lunga sono il 135Cs (emivita di 2,3 milioni di anni), il 137Cs (emivita di 30,1671 anni) e il 134Cs (emivita di 2,0652 anni). Tutti gli altri isotopi hanno emivite inferiori alle 2 settimane, molte tra queste inferiori all'ora.
Gli isotopi del cesio cominciarono ad essere dispersi nell'atmosfera sin dal 1945 con l'inizio dei test nucleari. Questi isotopi sono solubili in acqua (anche nell'acqua nebulizzata) e tornano alla superficie della terra come un componente del fallout radioattivo. Una volta che il cesio contamina le acque superficiali, si deposita sulle superficie dei suoli e viene rimosso principalmente dal trasporto di particelle. Come risultato, la funzione di input di questi isotopi può essere stimata in funzione del tempo.
Massa atomica standard: 132,9054519(2) u
Cesio-133 Il cesio-133 è l'unico isotopo naturale e stabile del cesio. Viene prodotto anche dalla fissione nucleare nel reattore nucleare a fissione. Una specifica transizione quantica nell'atomo di cesio-133 viene utilizzata per definire la durata del minuto secondo, una unità di tempo.
Cesio-134 Il cesio-134 ha un'emivita di 2,0652 anni. Viene prodotto sia direttamente in quantità molto piccole perché lo xeno (134Xe è stabile) prevale come prodotto di fissione a causa dell'attivazione neutronica del 133Cs non radioattivo (la sezione d'urto per la cattura neutronica è di 29 barn), che è un prodotto di fissione piuttosto comune. Il cesio 134 non viene prodotto per decadimento beta di altri prodotti di fissione (radionuclidi di massa 134) dal momento che il decadimento beta si ferma all'elemento 134Xe, che è più stabile. Non viene prodotto dall'esplosione di armi nucleari perché il 133Cs si crea per decadimento beta dei prodotti di fissione originali molto dopo l'esplosione nucleare.
La frazione combinata di 133Cs e 134Cs prodotta dalla fissione è stata calcolata al 6,7896%. La proporzione tra i due cambia a seconda dell'irradiazione neutronica. Il 134Cs cattura neutroni con una sezione d'urto di 140 barn, diventando l'isotopo radioattivo a lunga vita 135Cs.
Il cesio-134 va incontro a decadimento beta (β−), producendo bario-134 direttamente ed emettendo un raggio gamma a 1,6 MeV.
Attualmente viene utilizzato il rapporto cesio-134/cesio-137 per differenziare le aree contaminate dall'incidente di Černobyl' da quello di Fukushima, e per differenziare queste ultime dalla contaminazione dovuta ai test atomici; nell'incidente più recente, infatti, le concentrazioni di cesio-134 sono maggiori, a causa dell'emivita.
Cesio-135 Il cesio-135 è un radioisotopo del cesio lievemente radioattivo, che va incontro a decadimento beta di bassa energia, diventando bario-135 (emivita di 2,3 milioni di anni). Si tratta di uno dei sette prodotti di fissione a lunga vita ed è l'unico a reazione alcalina. Nel riprocessamento nucleare, rimane assieme al Cs-137 e ad altri prodotti di fissione a media-vita piuttosto che andare in soluzione assieme ad altri prodotti di fissione a lunga vita. La bassa energia di decadimento, la non emissione di raggi gamma, e la lunga emivita del 135Cs rendono questo isotopo molto meno pericoloso rispetto al 137Cs oppure al 134Cs.
Il suo precursore 135Xe ha un'elevata resa come prodotto di fissione (ad.es. 6.3333% per l'uranio-235 e neutroni termici) ma possiede anche la maggiore sezione d'urto per cattura del neutrone termico rispetto a qualsiasi altro nuclide. A causa di questo, gran parte dello 135Xe prodotto negli attuali reattori termici (anche più del 90% nello "steady-state" a piena potenza) verrà convertito nello stabile 136Xe prima che possa decadere in 135Cs. Pochissimo 135Xe verrà distrutto per cattura neutronica dopo lo spegnimento di un reattore, oppure in un reattore nucleare a sali fusi (che continuamente rimuove il gas xeno dal suo combustibile), oppure nel reattore a neutroni veloci, o nella detonazione di armi nucleari.
Alcuni tipi di reattori nucleari produrranno quantità molto più piccole di 135Cs da prodotto di fissione non radioattivo Cs-133 per una successiva cattura neutronica passando prima da 134Cs e dopo da 135Cs.
La sezione d'urto per la cattura del neutrone termico e l'integrale di risonanza del 135Cs sono rispettivamente e . Lo smaltimento del Cs-135 per trasmutazione nucleare è difficile, a causa della bassa sezione d'urto come anche perché l'irradiazione neutronica della miscela di isotopi si fissione del cesio produce più Cs-135 proveniente dallo stabile Cs-133 (non radioattivo). Inoltre, l'intensa radioattività a medio termine del Cs-137 rende molto difficile la gestione di queste scorie nucleari. ANL factsheet
Cesio-136 Il cesio-136 ha un'emivita di 13,16 giorni. Viene prodotto sia direttamente (in piccole percentuali perché lo 136Xe e più stabile) come prodotto di fissione e per cattura neutronica dal Cs-135 (la sezione d'urto di cattura per il neutrone è di 8,702 barn), che è un prodotto di fissione più comune. Il cesio-136 non viene prodotto per decadimento beta di altri nuclidi di massa 136, prodotti dalla fissione, dal momento che il decadimento beta si ferma allo stabile 136Xe. Non è un prodotto "firma" dalle armi nucleari perché il 135Cs si crea per decadimento beta dei prodotti originali di fissione molto tempo dopo la fine dell'esplosione nucleare. 136Cs cattura anche neutroni con una sezione d'urto di 13,00 barn, diventando l'isotopo radioattivo a media vita 137Cs. Il cesio-136 va incontro a decadimento beta (β−), diventando Ba-136 direttamente.
Cesio-137
Il 137Cs ha un'emivita di 30,17 anni, ed è questo lo rende uno tra i due principali prodotti di fissione a media vita, assieme allo stronzio-90, che dà luogo alla maggior parte della radioattività residua del combustibile nucleare esaurito che viene prima estratto in barre dal reattore, rimane alcuni anni di refrigerazione nelle vasche esterne (dove perde la radioattività da iodio-131 e cesio-134), e questa radiazione residua rimane fino ad alcune centinaia di anni dopo l'utilizzo. Costituisce la maggior parte della radioattività residua dall'incidente di Černobyl' ed è la maggiore preoccupazione sanitaria nella decontaminazione della terra nei pressi del relitto radioattivo della centrale nucleare di Fukushima.Dennis Normile, "Cooling a Hot Zone," Science, 339 (1 March 2013) pp. 1028-1029. Il 137Cs va incontro a decadimento beta, prima verso il bario-137m (un isomero nucleare a breve vita, forte emettitore di raggi gamma) e poi verso il bario-137, che non è radioattivo. Il 137Cs ha un tasso molto basso di cattura neutronica e non può essere distrutto in modo efficiente con questa modalità, ma si deve aspettare che vada spontaneamente in decadimento, per circa 10 anni nelle vasche del combustibile nucleare esaurito, ed in seguito in contenitori ventilati "gaskets" di cemento armato. Il 137Cs è stato usato come tracciante in studi di idrologia, analogamente a come si utilizza il 3H.
Altri isotopi del cesio Gli altri isotopi hanno emivite che durano da pochi giorni a frazioni di secondo. Quasi tutto il cesio prodotto dalla fissione nucleare proviene dal decadimento beta di prodotti di fissione più ricchi in neutroni, passando attraverso alcuni isotopi dello iodio e successivamente da isotopi del "gas nobile" xeno. Dal momento che questi elementi sono volatili e possono diffondersi attraverso il combustibile nucleare o l'aria, spesso si crea cesio anche molto lontano dal sito originale di fissione.
Tabella riassuntiva delle proprietà degli isotopi del cesio Simbolo del nuclide Z(p) N(n) massa isotopica (u) emivita decadimento Abbreviazioni:EC: Cattura elettronicaIT: Transizione isomerica IsotopifigliIn grassetto gli isotopi stabili, in italico-grassetto gli isotopi quasi-stabili (emivita maggiore rispetto all'età dell'universo) spinnucleare composizione isotopica rappresentativa(frazione molare) varianza naturale(frazione molare) Energia di eccitazione112Cs 55 57111,95030(33)#500(100) µs Emissione di p 111Xe1+# α 108I113Cs 55 58112,94449(11)16,7(7) µs p (99.97%) 112Xe5/2+# β+ (.03%) 113Xe114Cs 55 59113,94145(33)#0,57(2) s β+ (91,09%) 114Xe(1+) β+, p (8,69%) 113I β+, α (,19%) 110Te α (,018%) 110I115Cs 55 60114,93591(32)#1,4(8) s β+ (99,93%) 115Xe9/2+# β+, p (,07%) 114I116Cs 55 61115,93337(11)#0,70(4) s β+ (99,67%) 116Xe(1+) β+, p (,279%) 115I β+, α (,049%) 112Te 116mCs 100(60)# keV3,85(13) s β+ (99,48%) 116Xe4+,5,6 β+, p (,51%) 115I β+, α (,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 63117,926559(14)14(2) s β+ (99,95%) 118Xe2 β+, p (,042%) 117I β+, α (,0024%) 114Te 118mCs 100(60)# keV17(3) s β+ (99,95%) 118Xe(7-) β+, p (,042%) 117I β+, α (,0024%) 114Te119Cs 55 64118,922377(15)43,0(2) s β+ 119Xe9/2+ β+, α (2×10−6%) 115Te 119mCs 50(30)# keV 30,4(1) s β+ 119Xe 3/2(+)120Cs 55 65119,920677(11)61,2(18) s β+ 120Xe2(-#) β+, α (2×10−5%) 116Te β+, p (7×10−6%) 118I 120mCs 100(60)# keV57(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) keV122(3) s β+ (83%) 121Xe9/2(+) IT (17%) 121Cs122Cs 55 67121,91611(3)21,18(19) s β+ 122Xe1+ 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 IT 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 IT 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) ore 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) ore β+ 129Xe 1/2+130Cs 55 75129,906709(9)29,21(4) min β+ (98,4%) 130Xe1+ β- (1,6%) 130Ba 130mCs 163,25(11) keV3,46(6) min IT (99,83%) 130Cs5- β+ (,16%) 130Xe 131Cs 55 76 130,905464(5) 9,689(16) giorni EC 131Xe 5/2+132Cs 55 77131,9064343(20)6,480(6) giorni β+ (98,13%) 132Xe2+ β- (1,87%) 132Ba 133CsUtilizzato per definire il secondoprodotto di fissione 55 78 132,905451933(24)Ritenuto capace di fissione spontanea 7/2+ 1,0000134Cs 55 79133,906718475(28)2,0652(4) anni β- 134Ba4+ EC (3×10−4%) 134Xe 134mCs 138,7441(26) keV 2,912(2) ore IT 134Cs 8- 135Cs 55 80 134,9059770(11) 2,3 x106 anni β- 135Ba 7/2+ 135mCs 1632,9(15) keV 53(2) min IT 135Cs 19/2- 136Cs 55 81 135,9073116(20) 13,16(3) giorni β- 136Ba 5+ 136mCs 518(5) keV19(2) s β- 136Ba8- IT 136Cs137Cs 55 82136,9070895(5)30,1671(13) anni β- (95%) 137mBa7/2+ β- (5%) 137Ba 138Cs 55 83 137,911017(10) 33,41(18) min β- 138Ba 3- 138mCs 79,9(3) keV2,91(8) min IT (81%) 138Cs6- 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 86140,920046(11)24,84(16) s β- (99,96%) 141Ba7/2+ β-, n (,0349%) 140Ba142Cs 55 87141,924299(11)1,689(11) s β- (99,9%) 142Ba0- β-, n (.091%) 141Ba143Cs 55 88142,927352(25)1,791(7) s β- (98,38%) 143Ba3/2+ β-, n (1,62%) 142Ba144Cs 55 89143,932077(28)994(4) ms β- (96,8%) 144Ba1(-#) β-, n (3,2%) 143Ba 144mCs 300(200)# keV<1 s β- 144Ba(>3) IT 144Cs145Cs 55 90144,935526(12)582(6) ms β- (85,7%) 145Ba3/2+ β-, n (14,3%) 144Ba146Cs 55 91145,94029(8)0,321(2) s β- (85,8%) 146Ba1- β-, n (14,2%) 145Ba147Cs 55 92146,94416(6)0,235(3) s β- (71,5%) 147Ba(3/2+) β-, n (28,49%) 147Ba148Cs 55 93147,94922(62)146(6) ms β- (74,9%) 148Ba β-, n (25,1%) 147Ba149Cs 55 94148,95293(21)#150# ms [>50 ms] β- 149Ba3/2+# β-, n 148Ba150Cs 55 95149,95817(32)#100# ms [>50 ms] β- 150Ba β-, n 149Ba151Cs 55 96150,96219(54)#60# ms [>50 ms] β- 151Ba3/2+# β-, n 150Ba
Note