Isotopes du zirconium

Le zirconium (Zr) possède 33 isotopes connus, de nombre de masse variant de 78 à 110 et 5 isomères nucléaires. Parmi ces isotopes, quatre sont stables, 90Zr, 91Zr, 92Zr et 94Zr, et sont présents dans la nature dans un ratio 51/11/17/17 avec un radioisotope naturel, nucléide primordial, 96Zr qui se désintègre par double désintégration β avec une demi-vie observée de 2,0 × 1019 années[1]. 94Zr est aussi suspecté d'être faiblement radioactif, se désintégrant possiblement par double désintégration β en molybdène 94, avec une demi-vie supérieure à 1,1 × 1017 années, mais cette désintégration n'a pour l'instant jamais été observée.

La masse atomique standard attribuée au zirconium est de 91,224 ± 0,002 u.

Parmi les 28 autres isotopes du zirconium, le plus stable est 93Zr, avec une demi-vie de 1,53 million d'années. Les suivants ont des demi-vies plus modestes, 95Zr (64,02 jours), 88Zr (63,4 jours) et 89Zr (78,41 heures), tous les autres ayant des demi-vies inférieures à un jour.

Les isotopes les plus légers se désintègrent principalement par émission de positron (β+), à l'exception de 88Zr qui se désintègre principalement par capture électronique, tous en isotopes de l'yttrium. Les radioisotopes les plus lourds (à commencer par 93Zr) se désintègrent eux principalement par désintégration β− en isotopes du niobium, à l'exception de 96Zr mentionné plus haut.

Le zirconium est l'élément le plus lourd pouvant être formé par fusion symétrique, à partir de 45Sc ou de 46Ca, produisant (via 90Mo et deux désintégrations β) 90Zr et 92Zr, respectivement. Tous les éléments plus lourds sont formés par fusion asymétrique ou durant l'effondrement de supernovas. Comme la plupart de ces processus sont consommateurs d'énergie, la plupart des nucléides des éléments plus lourds que le zirconium sont théoriquement instables, par fission spontanée, mais dans la plupart des cas la demi-vie est trop longue pour pouvoir être observée.

Isotopes notables

Zirconium naturel

Le zirconium naturel est composé des quatre isotopes stables 90Zr, 91Zr, 92Zr et 94Zr (ce dernier étant toutefois soupçonné d'être très légèrement radioactif), et du radioisotope primordial 96Zr. Celui-ci se désintègre par double désintégration β avec une demi-vie observée de 2,0 × 1019 années[1] ; il peut théoriquement subir une désintégration β simple qui n'a cependant jamais été observée, avec une demi-vie prédite de 2,4 × 1020 années[2].

Isotope Abondance

(pourcentage molaire)

 Section efficace

d'absorption thermique (barn)

90Zr 51,45 (40) % 0,1
91Zr 11,22 (5) % 1,58
92Zr 17,15 (8) % 0,25
94Zr 17,38 (28) % 0,075
96Zr 2,80 (9) % 0,05

Zirconium 89

Le zirconium 89 (89Zr) est l'isotope du zirconium dont le noyau est constitué de 40 protons et de 49 neutrons. C'est un radioisotope se désintégrant par émission de positron (β+) avec une demi-vie de 78,41 heures. Il est produit par irradiation protonique de l'yttrium 89 naturel. Son principal photon gamma a une énergie de 909 keV et le plus énergétique 2,834 MeV.

Il est employé dans des applications de diagnostic spécialisé utilisant la tomographie par émission de positron (PET), par exemple avec des anticorps marqués au zirconium 89 (immuno-PET)[3].

Zirconium 93
Rendement (%) par fission[4]
Thermique Rapide 14 MeV
232Thnon-fissile6,70 ± 0,405,58 ± 0,16
233U6,979 ± 0,0986,94 ± 0,075,38 ± 0,32
235U6,346 ± 0,0446,25 ± 0,045,19 ± 0,31
238Unon-fissile4,913 ± 0,0984,53 ± 0,13
239Pu3,80 ± 0,033,82 ± 0,033,0 ± 0,3
241Pu2,98 ± 0,042,98 ± 0,33 ?

Le zirconium 93 (93Zr) est l'isotope du zirconium dont le noyau est constitué de 40 protons et de 53 neutrons. C'est le radioisotope le plus stable après 96Zr, se désintégrant par émission β− (60 keV) avec une demi-vie de 1,53 Ma pour donner le 93mNb qui se désintègre lui avec une demi-vie de 14 ans par émission gamma de faible énergie en 93Nb, stable. C'est une des radioactivités éteintes.

93Zr est l'un des sept produits de fission à vie longue. Un gramme de 93Zr pur présente une radioactivité de 93,06 MBq. Sa faible activité spécifique et la faible énergie de sa radiation limitent les risques que présente cet isotope.

Le zirconium 93 présent dans le combustible usagé a deux origines :

93Zr a aussi une faible section efficace, 0,7 barn[5],[6]. La plupart des fissions du zirconium concernent d'autres isotopes ; l'autre isotope avec une section efficace significative est 91Zr (1,24 barn). 93Zr est un candidat moins attractif pour l'élimination par transmutation que ne le sont le technétium 99 ou l'iode 129 par exemple. Sa mobilité dans le sol étant relativement faible, la solution retenue pour sa gestion est en général le stockage en couche géologique profonde.

Table des isotopes
Symbole
de l'isotope		 Z (p) N (n) Masse isotopique (u) Demi-vie[n 1] Mode(s) de
désintégration[7],[n 2]		 Isotope(s)

fils[n 3]

 Spin

nucléaire

Énergie d'excitation
78Zr 40 38 77,95523(54)# 50# ms
[>170 ns]		 0+
79Zr 40 39 78,94916(43)# 56(30) ms β+, p 78Sr 5/2+#
β+ 79Y
80Zr 40 40 79,9404(16) 4,6(6) s β+ 80Y 0+
81Zr 40 41 80,93721(18) 5,5(4) s β+ (>99,9 %) 81Y (3/2-)#
β+, p (<0,1 %) 80Sr
82Zr 40 42 81,93109(24)# 32(5) s β+ 82Y 0+
83Zr 40 43 82,92865(10) 41,6(24) s β+ (>99,9 %) 83Y (1/2-)#
β+, p (<0,1 %) 82Sr
84Zr 40 44 83,92325(21)# 25,9(7) min β+ 84Y 0+
85Zr 40 45 84,92147(11) 7,86(4) min β+ 85Y 7/2+
85mZr 292,2(3) keV 10,9(3) s TI (92 %) 85Zr (1/2-)
β+ (8 %) 85Y
86Zr 40 46 85,91647(3) 16,5(1) h β+ 86Y 0+
87Zr 40 47 86,914816(9) 1,68(1) h β+ 87Y (9/2)+
87mZr 335,84(19) keV 14,0(2) s TI 87Zr (1/2)-
88Zr 40 48 87,910227(11) 83,4(3) j CE 88Y 0+
89Zr 40 49 88,908890(4) 78,41(12) h β+ 89Y 9/2+
89mZr 587,82(10) keV 4,161(17) min TI (93,77 %) 89Zr 1/2-
β+ (6,23 %) 89Y
90Zr[n 4] 40 50 89,9047044(25) Stable 0+
90m1Zr 2319,000(10) keV 809,2(20) ms TI 90Zr 5-
90m2Zr 3589,419(16) keV 131(4) ns 8+
91Zr[n 4] 40 51 90,9056458(25) Stable 5/2+
91mZr 3167,3(4) keV 4,35(14) μs (21/2+)
92Zr[n 4] 40 52 91,9050408(25) Stable[n 5] 0+
93Zr[n 6] 40 53 92,9064760(25) 1,53(10)×106 a β− 93Nb 5/2+
94Zr[n 4] 40 54 93,9063152(26) Observé stable[n 7] 0+
95Zr[n 4] 40 55 94,9080426(26) 64,032(6) j β− 95Nb 5/2+
96Zr[n 8],[n 4] 40 56 95,9082734(30) 20(4)×1018 a β−β−[n 9] 96Mo 0+
97Zr 40 57 96,9109531(30) 16,744(11) h β− 97mNb 1/2+
98Zr 40 58 97,912735(21) 30,7(4) s β− 98Nb 0+
99Zr 40 59 98,916512(22) 2,1(1) s β− 99mNb 1/2+
100Zr 40 60 99,91776(4) 7,1(4) s β− 100Nb 0+
101Zr 40 61 100,92114(3) 2,3(1) s β− 101Nb 3/2+
102Zr 40 62 101,92298(5) 2,9(2) s β− 102Nb 0+
103Zr 40 63 102,92660(12) 1,3(1) s β− 103Nb (5/2-)
104Zr 40 64 103,92878(43)# 1,2(3) s β− 104Nb 0+
105Zr 40 65 104,93305(43)# 0,6(1) s β− (>99,9 %) 105Nb
β−, n (<0,1 %) 104Nb
106Zr 40 66 105,93591(54)# 200# ms
[>300 ns]		 β− 106Nb 0+
107Zr 40 67 106,94075(32)# 150# ms
[>300 ns]		 β− 107Nb
108Zr 40 68 107,94396(64)# 80# ms
[>300 ns]		 β− 108Nb 0+
109Zr 40 69 108,94924(54)# 60# ms
[>300 ns]
110Zr 40 70 109,95287(86)# 30# ms
[>300 ns]		 0+
  1. En gras pour les isotopes avec des demi-vies plus grandes que l'âge de l'univers (presque stables).
  2. Abréviations :
    CE : capture électronique ;
    TI : transition isomérique.
  3. Isotopes stables en gras.
  4. Produit de fission.
  5. Théoriquement, le nucléide stable le plus lourd.
  6. Produit de fission à vie longue.
  7. Soupçonné de se désintégrer par β−β− en 94Mo avec une demi-vie supérieure à 4 1,1×1017 années.
  8. radionucléide primordial.
  9. Théoriquement capable de subir une désintégration β− en 96Nb.

Remarques
  • Il existe des échantillons géologiques exceptionnels dont la composition isotopique est en dehors de l'échelle donnée. L'incertitude sur la masse atomique de tels échantillons peut excéder les valeurs données.
  • Les valeurs marquées # ne sont pas purement dérivées des données expérimentales, mais aussi au moins en partie à partir des tendances systématiques. Les spins avec des arguments d'affectation faibles sont entre parenthèses.
  • Les incertitudes sont données de façon concise entre parenthèses après la décimale correspondante. Les valeurs d'incertitude dénotent un écart-type, à l'exception de la composition isotopique et de la masse atomique standard de l'IUPAC qui utilisent des incertitudes élargies[8].

Notes et références
  1. http://www.nndc.bnl.gov/bbdecay/list.html
  2. http://www.iop.org/EJ/abstract/0954-3899/34/5/005/
  3. Van Dongen GA, Vosjan MJ. Immuno-positron emission tomography: shedding light on clinical antibody therapy. Cancer Biother Radiopharm. 2010 Aug;25(4):375-85.
  4. M.B. Chadwick et al, "ENDF/B-VII.1: Nuclear Data for Science and Technology: Cross Sections, Covariances, Fission Product Yields and Decay Data", Nucl. Data Sheets 112(2011)2887. (accessed at www-nds.iaea.org/exfor/endf.htm)
  5. « ENDF/B-VII.1 Zr-93(n,g) » (consulté le )
  6. S. Nakamura et al., « Thermal neutron capture cross-sections of Zirconium-91 and Zirconium-93 by prompt gamma-ray spectroscopy », Journal of Nuclear Science and Technology, vol. 44:1,‎ , p. 21–28 (DOI 10.1080/18811248.2007.9711252)
  7. (en)Universal Nuclide Chart
  8. (en) « 2.5.7. Standard and expanded uncertainties », Engineering Statistics Handbook (consulté le )

Bibliographie


1  H                                                             He
2  Li Be   B C N O F Ne
3  Na Mg   Al Si P S Cl Ar
4  K Ca   Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr
5  Rb Sr   Y Zr Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te I Xe
6  Cs Ba La Ce Pr Nd Pm Sm Eu Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb Lu Hf Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At Rn
7  Fr Ra Ac Th Pa U Np Pu Am Cm Bk Cf Es Fm Md No Lr Rf Db Sg Bh Hs Mt Ds Rg Cn Nh Fl Mc Lv Ts Og
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