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
²³²Th	non-fissile	6,70 ± 0,40	5,58 ± 0,16
²³³U	6,979 ± 0,098	6,94 ± 0,07	5,38 ± 0,32
²³⁵U	6,346 ± 0,044	6,25 ± 0,04	5,19 ± 0,31
²³⁸U	non-fissile	4,913 ± 0,098	4,53 ± 0,13
²³⁹Pu	3,80 ± 0,03	3,82 ± 0,03	3,0 ± 0,3
²⁴¹Pu	2,98 ± 0,04	2,98 ± 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 :

comme produit de fission présent dans le combustible avec un rendement de 6,3 % (fission de ²³⁵U par neutrons thermiques), similaire à celui des autres produits de fission abondants ; il se retrouve alors dans les verres de stockage des déchets radioactifs HAVL (déchets de type C) ;
comme produit d'activation du zirconium 92 des gaines des barres de combustible (voir Zircaloy). Cependant cette source est limitée du fait de la faible section efficace (0,22 barn) de ⁹²Zr. Elle représente 5 % du ⁹³Zr total présent dans le combustible destiné au retraitement ; il se retrouve dans les conteneurs de déchets de type B.

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
Symbole de l'isotope	Énergie d'excitation			Demi-vie[n 1]	Mode(s) de désintégration[7] - [n 2]	Isotope(s) fils[n 3]	Spin nucléaire
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+#
⁷⁹Zr	40	39	78,94916(43)#	56(30) ms	β⁺	⁷⁹Y	5/2+#
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-)#
⁸¹Zr	40	41	80,93721(18)	5,5(4) s	β⁺, p (<0,1 %)	⁸⁰Sr	(3/2-)#
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-)#
⁸³Zr	40	43	82,92865(10)	41,6(24) s	β⁺, p (<0,1 %)	⁸²Sr	(1/2-)#
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-)
^85mZr	292,2(3) keV			10,9(3) s	β⁺ (8 %)	⁸⁵Y	(1/2-)
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-
^89mZr	587,82(10) keV			4,161(17) min	β⁺ (6,23 %)	⁸⁹Y	1/2-
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
¹⁰⁵Zr	40	65	104,93305(43)#	0,6(1) s	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+

En gras pour les isotopes avec des demi-vies plus grandes que l'âge de l'univers (presque stables).
Abréviations :
CE : capture électronique ;
TI : transition isomérique.
Isotopes stables en gras.
Produit de fission.
Théoriquement, le nucléide stable le plus lourd.
Produit de fission à vie longue.
Soupçonné de se désintégrer par β⁻β⁻ en ⁹⁴Mo avec une demi-vie supérieure à 4 1,1×10¹⁷ années.
radionucléide primordial.
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

(en) Cet article est partiellement ou en totalité issu de l’article de Wikipédia en anglais intitulé « Isotopes of zirconium » (voir la liste des auteurs).

(en) « Adopted Double Beta Decay Data », sur nndc.bnl.gov (consulté le 20 avril 2023).
http://www.iop.org/EJ/abstract/0954-3899/34/5/005/
Van Dongen GA, Vosjan MJ. Immuno-positron emission tomography: shedding light on clinical antibody therapy. Cancer Biother Radiopharm. 2010 Aug;25(4):375-85.
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)
« ENDF/B-VII.1 Zr-93(n,g) » (consulté le 20 novembre 2014)
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,‎ 2007, p. 21–28 (DOI 10.1080/18811248.2007.9711252)
(en)Universal Nuclide Chart
(en) « 2.5.7. Standard and expanded uncertainties », Engineering Statistics Handbook (consulté le 16 septembre 2010)

Bibliographie

Masse des isotopes depuis :
- (en) G. Audi, A. H. Wapstra, C. Thibault, J. Blachot et O. Bersillon, « The NUBASE evaluation of nuclear and decay properties », Nucl. Phys. A, vol. 729,‎ 2003, p. 3–128 (DOI 10.1016/j.nuclphysa.2003.11.001, Bibcode 2003NuPhA.729....3A, lire en ligne [archive du 23 septembre 2008])
Compositions isotopiques et masses atomiques standards :
- (en) J. R. de Laeter, J. K. Böhlke, P. De Bièvre, H. Hidaka, H. S. Peiser, K. J. R. Rosman et P. D. P. Taylor, « Atomic weights of the elements. Review 2000 (IUPAC Technical Report) », Pure Appl. Chem., vol. 75, n^o 6,‎ 2003, p. 683–800 (DOI 10.1351/pac200375060683, lire en ligne)
- (en) M. E. Wieser, « Atomic weights of the elements 2005 (IUPAC Technical Report) », Pure Appl. Chem., vol. 78, n^o 11,‎ 2006, p. 2051–2066 (DOI 10.1351/pac200678112051, lire en ligne), résumé
- (en) Shengyu Tian, Edward C. Inglis, John B. Creech, Wen Zhang, Zaicong Wang et al., « The zirconium stable isotope compositions of 22 geological reference materials, 4 zircons and 3 standard solutions », Chemical Geology, vol. 555,‎ 20 novembre 2020, article n^o 119791 (DOI 10.1016/j.chemgeo.2020.119791)
Demi-vies, spins et données sur les isomères sélectionnés depuis les sources suivantes :
- (en) G. Audi, A. H. Wapstra, C. Thibault, J. Blachot et O. Bersillon, « The NUBASE evaluation of nuclear and decay properties », Nucl. Phys. A, vol. 729,‎ 2003, p. 3–128 (DOI 10.1016/j.nuclphysa.2003.11.001, Bibcode 2003NuPhA.729....3A, lire en ligne [archive du 23 septembre 2008])
- (en) National Nuclear Data Center, « NuDat 2.1 database », Laboratoire national de Brookhaven (consulté en septembre 2005)
- (en) N. E. Holden, CRC Handbook of Chemistry and Physics, D. R. Lide, CRC Press, 2004, 85^e éd. (ISBN 978-0849304859), « Table of the Isotopes », Section 11

Tableau périodique des isotopes

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