Введение
Нуклиды с атомным номером 55, но с разными массовыми числами
Цезий (55Cs) имеет 41 известный изотоп, атомные массы которых варьируются от 112 до 152. Только один изотоп, 133Cs, стабилен. Самыми долгоживущими радиоизотопами являются 135Cs с периодом полураспада 1,33 миллиона лет, цезий-137 с периодом полураспада 30,1671 года и 134Cs с периодом полураспада 2,0652 года. У всех остальных изотопов период полураспада менее 2 недель, у большинства – менее часа. С 1945 года, с началом ядерных испытаний, радиоизотопы цезия поступали в атмосферу, где цезий легко переходит в раствор и возвращается на поверхность Земли как компонент радиоактивных выпадений. Попадая в грунтовые воды, цезий откладывается на поверхности почвы и выносится из ландшафта преимущественно переносом частиц. В результате, функцию поступления этих изотопов можно оценить как функцию времени.
Цезий-133
Цезий-133 — единственный стабильный изотоп цезия. Основная единица времени в Международной системе единиц (СИ), секунда, определяется конкретным переходом в атоме цезия-133. С 1967 года официальное определение секунды:
Цезий-134
Время полураспада цезия-134 составляет 2,0652 года. Он образуется как непосредственно (с очень малым выходом, поскольку 134Xe стабилен) в качестве продукта деления, так и в результате захвата нейтронов нерадиоактивным цезием-133 (поперечное сечение захвата нейтронов 29 барн), который сам является распространенным продуктом деления. Цезий-134 не образуется в результате бета-распада других нуклидов продуктов деления с массовым числом 134, поскольку бета-распад останавливается на стабильном 134Xe. Он также не образуется при взрыве ядерного оружия, поскольку цезий-133 образуется в результате бета-распада первичных продуктов деления лишь спустя длительное время после взрыва. Совокупный выход цезия-133 и цезия-134 составляет 6,7896%. Соотношение между ними будет изменяться при продолжении нейтронного облучения. Цезий-134 также захватывает нейтроны с поперечным сечением 140 барн, превращаясь в долгоживущий радиоактивный цезий-135. Цезий-134 подвергается бета-распаду (β−), образуя непосредственно барий-134 и испуская в среднем 2,23 гамма-кванта (средняя энергия 0,698 МэВ).
Цезий-136
У цезия-136 период полураспада составляет 13,16 дней. Он образуется как непосредственно (с очень малым выходом, поскольку 136Xe бета-стабилен), как продукт деления, так и в результате захвата нейтронов долгоживущим 135Cs (поперечное сечение захвата нейтронов 8,702 барна), который является распространенным продуктом деления. Цезий-136 не образуется при бета-распаде других нуклидов продуктов деления с массовым числом 136, поскольку бета-распад практически останавливается на стабильном 136Xe. Он также не образуется в ядерном оружии, так как 135Cs создается бета-распадом первичных продуктов деления лишь спустя длительное время после ядерного взрыва. Цезий-136 также захватывает нейтроны с поперечным сечением 13,00 барн, превращаясь в радиоактивный 137Cs со средним периодом полураспада. Цезий-136 подвергается бета-распаду (β−), непосредственно образуя 136Ba.
Цезий-137
Цезий-137, с периодом полураспада 30,17 лет, является одним из двух основных продуктов деления средней продолжительности жизни, наряду со стронцием-90, которые ответственны за большую часть радиоактивности отработавшего ядерного топлива спустя несколько лет после охлаждения, вплоть до нескольких сотен лет после использования. Он составляет основную часть радиоактивности, сохранившейся после аварии на Чернобыльской АЭС, и представляет серьезную опасность для здоровья при дезактивации территорий вблизи АЭС Фукусима. Цезий-137 бета-распадается до бария-137m (короткоживущего ядерного изомера), а затем до нерадиоактивного бария-137. Цезий-137 не испускает гамма-излучение напрямую, всё наблюдаемое излучение обусловлено дочерним изотопом барием-137m. Цезий-137 имеет крайне низкое сечение захвата нейтронов и пока не может быть эффективно утилизирован таким способом, если только не произойдет прогресс в коллимации нейтронного пучка (недостижимой иными способами с помощью магнитных полей), уникально доступной в экспериментах по мюонному катализу (в отличие от других форм ускорительной трансмутации ядерных отходов), что позволит получать нейтроны с достаточно высокой интенсивностью для компенсации и преодоления этих низких сечений захвата; до тех пор цезий-137 должен просто подвергаться распаду. Цезий-137 использовался в качестве трассера в гидрологических исследованиях, аналогично использованию трития (3H).
Другие изотопы цезия
Другие изотопы имеют период полураспада от нескольких дней до долей секунды. Почти весь цезий, образующийся при ядерном делении, является продуктом бета-распада изначальных, более богатых нейтронами продуктов деления, последовательно превращающихся в изотопы йода и затем в изотопы ксенона. Поскольку эти элементы летучи и могут распространяться посредством диффузии через ядерное топливо или воздух, цезий часто образуется вдали от места первоначального деления.