Isotopi del cesio

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Il Cesio (nella tavola periodica Cs) 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 risulto, la funzione di input di questi isotopi può essere stimata in funzione del tempo.

Massa atomica standard: 132,9054519(2) u

Cesio-133[modifica | modifica wikitesto]

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[modifica | modifica wikitesto]

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.

Il rapporto tra 133Cs e 134Cs è stato calcolato 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), 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 Chernobyl da quello di Fukushima, nell'incidente più recente le concentrazioni di cesio-134 sono maggiori, a causa dell'emivita. [1]

Cesio-135[modifica | modifica wikitesto]

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)[2] 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 8,3 ± 0,3 e 38,1 ± 2,6 barn.[3] 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.[4]

Cesio-136[modifica | modifica wikitesto]

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 cesium-136 va incontro a decadimento beta (β−), diventando Ba-136 direttamente.

Cesio-137[modifica | modifica wikitesto]

Exquisite-kfind.png Per approfondire, vedi 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 da 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 Chernobyl ed è la maggiore preoccupazione sanitaria nella decontaminazione della terra nei pressi del relitto radioattivo della centrale elettronucleare di Fukushima.[5] 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[modifica | modifica wikitesto]

Gli atri 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 dell'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[modifica | modifica wikitesto]

Simbolo del
nuclide
Z(p) N(n)  
massa isotopica (u)
 
emivita decadimento [6][n 1] Isotopi
figli[n 2]
spin
nucleare
composizione
isotopica
rappresentativa
(frazione molare)
varianza
naturale
(frazione molare)
Energia di eccitazione
112Cs 55 57 111,95030(33)# 500(100) µs Emissione di p 111Xe 1+#
α 108I
113Cs 55 58 112,94449(11) 16,7(7) µs p (99.97%) 112Xe 5/2+#
β+ (.03%) 113Xe
114Cs 55 59 113,94145(33)# 0,57(2) s β+ (91,09%) 114Xe (1+)
β+, p (8,69%) 113I
β+, α (,19%) 110Te
α (,018%) 110I
115Cs 55 60 114,93591(32)# 1,4(8) s β+ (99,93%) 115Xe 9/2+#
β+, p (,07%) 114I
116Cs 55 61 115,93337(11)# 0,70(4) s β+ (99,67%) 116Xe (1+)
β+, p (,279%) 115I
β+, α (,049%) 112Te
116mCs 100(60)# keV 3,85(13) s β+ (99,48%) 116Xe 4+,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 63 117,926559(14) 14(2) s β+ (99,95%) 118Xe 2
β+, p (,042%) 117I
β+, α (,0024%) 114Te
118mCs 100(60)# keV 17(3) s β+ (99,95%) 118Xe (7-)
β+, p (,042%) 117I
β+, α (,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(+)
IT (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 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 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 IT (99,83%) 130Cs 5-
β+ (,16%) 130Xe
131Cs 55 76 130,905464(5) 9,689(16) giorni EC 131Xe 5/2+
132Cs 55 77 131,9064343(20) 6,480(6) giorni β+ (98,13%) 132Xe 2+
β- (1,87%) 132Ba
133Cs[n 3][n 4] 55 78 132,905451933(24) STABILE[n 5] 7/2+ 1,0000
134Cs[n 4] 55 79 133,906718475(28) 2,0652(4) anni β- 134Ba 4+
EC (3×10−4%) 134Xe
134mCs 138,7441(26) keV 2,912(2) ore IT 134Cs 8-
135Cs[n 4] 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) keV 19(2) s β- 136Ba 8-
IT 136Cs
137Cs[n 4] 55 82 136,9070895(5) 30,1671(13) anni 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 IT (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 (,0349%) 140Ba
142Cs 55 87 141,924299(11) 1,689(11) s β- (99,9%) 142Ba 0-
β-, n (.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)
IT 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. ^ Abbreviazioni:
    EC: Cattura elettronica
    IT: Transizione isomerica
  2. ^ In grassetto gli isotopi stabili, in italico-grassetto gli isotopi quasi-stabili (emivita maggiore rispetto all'età dell'universo)
  3. ^ Utilizzato per definire il secondo
  4. ^ a b c d prodotto di fissione
  5. ^ Ritenuto capace di fissione spontanea

Note[modifica | modifica wikitesto]

  • I valori contrassegnati con # non sono derivati puramente da dati sperimentali, ma almeno parzialmente dallo studio di tendenze sistematiche. I dati di spin con deboli argomenti di assegnazione (assignment arguments) sono racchiusi tra parentesi.
  • Le incertezze vengono fornite in modo conciso in parentesi dopo i corrispondenti ultimi digiti. I valori di incertezza denotano una deviazione standard, ad eccezione della composizione isotopica e la massa atomica standard provenienti dallo IUPAC che utilizzano incertezze espanse.

Fonti[modifica | modifica wikitesto]

  1. ^ Una Chernobyl italiana alle porte di Milano? Il caso della fonderia di Rovello Porro
  2. ^ John L. Groh, Supplement to Chapter 11 of Reactor Physics Fundamentals, CANTEACH project, 2004. URL consultato il 2011-May-14.
  3. ^ Y. Hatsukawa, Shinohara, N; Hata, K. et al., Thermal neutron cross section and resonance integral of the reaction of135Cs(n,γ)136Cs: Fundamental data for the transmutation of nuclear waste in Journal of Radioanalytical and Nuclear Chemistry, vol. 239, nº 3, 1999, pp. 455–458, DOI:10.1007/BF02349050.
  4. ^ Shigeo Ohki, Takaki, Naoyuki, Transmutation of Cesium-135 With Fast Reactors in Proc. of The Seventh Information Exchange Meeting on Actinide and Fission Product Partitioning & Transmutation, Cheju, Korea, 2002.
  5. ^ Dennis Normile, "Cooling a Hot Zone," Science, 339 (1 March 2013) pp. 1028-1029.
  6. ^ Nucleonica: Universal Nuclide Chart

Voci correlate[modifica | modifica wikitesto]