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铯的同位素

主要的铯同位素
同位素 衰变
丰度 半衰期 (t1/2) 类型 产物
133Cs 100% 稳定
134Cs syn 2.0648  ε 134Xeenxenon-134
β 134Baenbarium-134
135Cs 痕量 2.3×106  β 135Baenbarium-135
137Cs syn 30.17 [1] β 137Baenbarium-137
标准原子质量英语Standard atomic weight (Ar, 标准)
  • 132.90545196(6)[2]
←Xe54 Ba56

原子量:132.9054519(2))铯有40个已知的同位素,连同钡与汞是拥有最多同位素的元素。目前已知的铯同位素原子量范围从112到151,其中只有铯-133是稳定的。寿命最长的放射性铯是铯-135,半衰期有230万年。其次是铯-137,半衰期约30年,以及铯-134有两年的半衰期,其他的同位素半衰期皆低于两周,大部分的都在一小时以下。其中一些同位素在年老的恒星中由较轻的元素通过捕获慢中子(S-过程)合成[3],也可以在超新星爆发的过程R-过程中合成[4]

环境中的铯同位素

天然的铯元素中一般来说仅存在铯-133同位素,但环境中仍然存在着微量的铯-137与铯-134,它们几乎都是在1940年代至1960年代的核试爆及某些核事故中释放出来的。历史上曾造成铯-137释放进入环境中的著名案例包括如切尔诺贝利核事故等。2011年3月11日,日本的福岛第一核电站事故事件发生时,也曾发现它的存在。2011年7月,从福岛县运往东京的11头牛也被检测出1,530到3,200Bq/kg的铯-137,这已严重超出日本规定的500Bq/kg容许值。[5]

铯-133

储存于氩气中的高纯度铯-133

铯-133是铯的同位素之一,为铯的同位素中,唯一稳定的核素,同时也是天然铯元素中能找的唯一一种核素,因此,铯-133的丰度为100%。铯-133也可以通过在核反应堆中的核裂变产生。尽管其原子核自旋量子数较大(7/2+),可以在其共振频率11.7 MHz处对该同位素进行核磁共振的研究[6]

自从1967年,国际单位制基于铯的性质定义了其时间单位,也就是秒。国际单位制将一秒定义为不受外场干扰的铯-133的原子基态的两个超精细结构能阶间跃迁所对应的辐射的9,192,631,770个周期的持续时间[7]。1955年,第一个精确的铯原子钟由路易斯·艾森在英国国家物理实验室建成[8]。在过去的半个多世纪中,人们不停的改进铯原子钟,并且使用它作为标准时间和频率测量的基准。这些钟测量频率的精度为2-3×10-14,相当于时间测量的精度为每天2纳秒,或者140万年1秒。目前最先进的铯原子钟的精度超过了10-15,这意味着从6600万年前恐龙灭绝的时代起其误差仅为2秒钟[9],被认为是“人类目前所达到的最精确的单位实现”[9][10]

铯-137

铯-137是铯的放射性同位素之一,半衰期约为30.17年。[11]大约95%通过贝塔衰变barium-137m1 (137m1Ba, Ba-137m1). 其他约5%直接衰变为稳定的钡-137. Ba-137m1的半衰期为153秒,并放出伽玛射线(这是铯-137放射源的全部伽玛射线来源)。1克铯-137的放射性活度为3.215 terabecquerel (TBq).[12]

铯-137在工业应用中是一种非常常见的作为伽玛射线发射源的同位素。其优势在于它的半衰期大约30年,可以通过核燃料循环获得,并且其最终产物钡-137是一种稳定的同位素。其较高的水溶性是其缺点,使得它无法用在用于食品和医疗用品的大型池式辐射器中[13]。铯-137已经被用在农业、癌症治疗、食品消毒、污水污泥处理以及外科手术设备中。[9][14]。铯的放射性同位素可以用在放射线疗法中针对某些癌症治疗[15],然而由于目前已经有了更好的替代品,且放射源中易溶于水的氯化铯可能造成大范围污染,放疗中逐渐不再采用铯放射源[16][17]。在许多工业测量计中都采用了铯-137,包括湿度计、密度计、水平仪以及厚度计[18]测井设备中也会使用铯-137来测量与岩层中的电子密度[19]

铯-137也用于水文学研究中。铯是核裂变反应的产物。自从大约1945年核试验开始,一直到20世纪80年代中期,铯137被释放进入大气层,然后立即被吸收入水溶液中。那个时期的年度变化与土壤和沉积层有相关性。铯-134以及含量更少的铯-135也用于水文学研究作为核电工业中产生的铯的度量。这两种同位素不像铯-133或者铯-137那样常见,而且仅能通过人为过程产生[20]

图表

符号 Z(p N(n 同位素质量(u 半衰期 衰变
方式
[21][n 1]
衰变
产物
[n 2]
原子核
自旋
相对丰度
莫耳分率)
相对丰度
的变化量
莫耳分率)
激发能量
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+ (.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) 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 IT (99.83%) 130Cs 5-
β+ (.16%) 130Xe
131Cs 55 76 130.905464(5) 9.689(16) d ε 131Xe 5/2+
132Cs 55 77 131.9064343(20) 6.480(6) d β+ (98.13%) 132Xe 2+
β (1.87%) 132Ba
133Cs[n 3][n 4] 55 78 132.905451933(24) 稳定[n 5] 7/2+ 1.0000
134Cs[n 4] 55 79 133.906718475(28) 2.0652(4) a β 134Ba 4+
ε (3×10−4%) 134Xe
134mCs 138.7441(26) keV 2.912(2) h IT 134Cs 8-
135Cs[n 4] 55 80 134.9059770(11) 2.3 x106 a 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) d 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) 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 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

备注:画上#号的数据代表没有经过实验的证明,只是理论推测而已,而用括号括起来的代表数据不确定性。


同位素列表
氙的同位素 铯的同位素 钡的同位素

注释

  1. ^ 缩写的涵义:
    ε电子俘获
    IT核异构转变
    β+正电子发射
    β贝他衰变
  2. ^ 稳定的衰变产物以粗体表示。
  3. ^ Used to define the second
  4. ^ 4.0 4.1 4.2 4.3 Fission product
  5. ^ Believed to be capable of spontaneous fission

参考文献

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