銫的同位素
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標準原子質量 (Ar, 標準) |
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銫(原子量:132.90545196(6))有41個已知的同位素,原子量範圍從112到152,其中只有銫-133是穩定的。壽命最長的放射性銫是銫-135,半衰期有133萬年。其次是銫-137,半衰期約30年,以及銫-134有兩年的半衰期,其他的同位素半衰期皆低於兩周,大部分的都在一小時以下。其中一些同位素在年老的恆星中由較輕的元素通過捕獲慢中子(S-過程)合成[4],也可以在超新星爆發的過程R-過程中合成[5]
環境中的銫同位素
天然的銫元素中一般來說僅存在銫-133及痕量的銫-135,但在某些環境中仍然存在著微量的銫-137與銫-134,它們幾乎都是在1940年代至1960年代的核試爆及某些核事故中釋放出來的。歷史上曾造成銫-137釋放進入環境中的著名案例包括如車諾比核事故等。2011年3月11日,日本的福島第一核電站事故事件發生時,也曾發現它的存在。2011年7月,從福島縣運往東京的11頭牛也被檢測出1,530到3,200Bq/kg的銫-137,這已嚴重超出日本規定的500Bq/kg容許值。[6]
銫-133
銫-133是銫的同位素之一,為銫的同位素中,唯一穩定的核素,同時也是天然銫元素中能找的唯一一種核素,因此,銫-133的豐度為100%。銫-133也可以通過在核反應爐中的核分裂產生。儘管其原子核自旋量子數較大(7/2+),可以在其共振頻率11.7 MHz處對該同位素進行核磁共振的研究[7]。
自從1967年,國際單位制基於銫的性質定義了其時間單位,也就是秒。國際單位制將一秒定義為不受外場干擾的銫-133的原子基態的兩個超精細結構能階間躍遷所對應的輻射的9,192,631,770個周期的持續時間[8]。1955年,第一個精確的銫原子鐘由路易斯·艾森在英國國家物理實驗室建成[9]。在過去的半個多世紀中,人們不停的改進銫原子鐘,並且使用它作為標準時間和頻率測量的基準。這些鐘測量頻率的精度為2-3×10-14,相當於時間測量的精度為每天2奈秒,或者140萬年1秒。目前最先進的銫原子鐘的精度超過了10-15,這意味著從6600萬年前恐龍滅絕的時代起其誤差僅為2秒鐘[10],被認為是「人類目前所達到的最精確的單位實現」[10][11]。
銫-137
銫-137是銫的放射性同位素之一,半衰期約為30.17年。[12]大約95%通過貝塔衰變為barium-137m1 (137m1Ba, Ba-137m1). 其他約5%直接衰變為穩定的鋇-137. Ba-137m1的半衰期為153秒,並放出伽瑪射線(這是銫-137放射源的全部伽瑪射線來源)。1克銫-137的放射性活度為3.215 terabecquerel (TBq).[13]
銫-137在工業應用中是一種非常常見的作為伽瑪射線發射源的同位素。其優勢在於它的半衰期大約30年,可以通過核燃料循環獲得,並且其最終產物鋇-137是一種穩定的同位素。其較高的水溶性是其缺點,使得它無法用在用於食品和醫療用品的大型池式輻射器中[14]。銫-137已經被用在農業、癌症治療、食品消毒、污水污泥處理以及外科手術設備中。[10][15]。銫的放射性同位素可以用在放射線療法中針對某些癌症治療[16],然而由於目前已經有了更好的替代品,且放射源中易溶於水的氯化銫可能造成大範圍污染,放療中逐漸不再採用銫放射源[17][18]。在許多工業測量計中都採用了銫-137,包括濕度計、密度計、水平儀以及厚度計[19]。測井設備中也會使用銫-137來測量與岩層中的電子密度[20]。
銫-137也用於水文學研究中。銫是核分裂反應的產物。自從大約1945年核試驗開始,一直到20世紀80年代中期,銫137被釋放進入大氣層,然後立即被吸收入水溶液中。那個時期的年度變化與土壤和沉積層有相關性。銫-134以及含量更少的銫-135也用於水文學研究作為核電工業中產生的銫的度量。這兩種同位素不像銫-133或者銫-137那樣常見,而且僅能通過人為過程產生[21]。
圖表
符號 | Z | N | 同位素質量(u) [n 1][n 2] |
半衰期 [n 1][n 2] |
衰變 方式[22] |
衰變 產物 [n 3][n 4] |
原子核 自旋[n 1] |
相對豐度 (莫耳分率) |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|
激發能量[n 1][n 2] | ||||||||
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 5][n 6] | 55 | 78 | 132.905451933(24) | 穩定 | 7/2+ | 1.0000 | ||
134Cs[n 6] | 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 6] | 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 6] | 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 |
- ^ 1.0 1.1 1.2 1.3 畫上#號的數據代表沒有經過實驗的証明,僅為理論推測。
- ^ 2.0 2.1 2.2 用括號括起來的數據代表不確定性。
- ^ 穩定的衰變產物以粗體表示。
- ^ 半衰期超過5億年的衰變產物以粗斜體表示。
- ^ 用於定義秒
- ^ 6.0 6.1 6.2 6.3 裂變產物
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參考文獻
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