Isotopes du thorium - Isotopes of thorium

Principaux isotopes du thorium   ( 90 Th)
Isotope Pourriture
abondance demi-vie ( t 1/2 ) mode produit
227 ème trace 18,68 jours α 223 Ra
228 ème trace 1.9116 ans α 224 Ra
229 ème trace 7917 ans α 225 Ra
230 ème 0,02% 75400 ans α 226 Ra
231 ème trace 25,5 heures β - 231 Pa
232 ème 99,98 % 1,405 x 10 10  y α 228 Ra
234 ème trace 24,1 jours β - 234 Pa
Poids atomique standard A r, standard (Th) 232.0377(4)

Le thorium ( 90 Th) possède sept isotopes naturels mais aucun n'est stable. Un isotope, le 232 Th, est relativement stable, avec une demi-vie de 1,405 × 10 10 ans, considérablement plus longue que l' âge de la Terre , et même légèrement plus longue que l' âge généralement accepté de l'univers . Cet isotope constitue presque tout le thorium naturel, de sorte que le thorium était considéré comme mononucléidique . Cependant, en 2013, l' IUPAC a reclassé le thorium comme binuclide, en raison de grandes quantités de 230 Th dans les eaux profondes. Le thorium a une composition isotopique terrestre caractéristique et donc un poids atomique standard peut être donné.

Trente et un radio - isotopes ont été caractérisés, les plus stables étant le 232 Th, le 230 Th avec une demi-vie de 75 380 ans, le 229 Th avec une demi-vie de 7 917 ans et le 228 Th avec une demi-vie de 1,92 an. Tous les isotopes radioactifs restants ont des demi-vies inférieures à trente jours et la majorité d'entre eux ont des demi-vies inférieures à dix minutes. Un isotope, le 229 Th, a un isomère nucléaire (ou état métastable) avec une énergie d'excitation remarquablement faible, récemment mesurée à 8,28 ± 0,17 eV. Il a été proposé de réaliser une spectroscopie laser du noyau 229 Th et d'utiliser la transition à basse énergie pour le développement d'une horloge nucléaire de très haute précision.

Les isotopes connus du thorium varient en nombre de masse de 208 à 238.

Liste des isotopes

Nuclide

Nom historique
Z N Masse isotopique ( Da )
Demi vie

Mode de décomposition


Isotope fille

Spin et
parité
Abondance naturelle (fraction molaire)
Énergie d'excitation Proportion normale Plage de variation
208 ème 90 118 208.01791(4) 1,7 (+1,7-0,6) ms α 204 Ra 0+
209 ème 90 119 209.01772(11) 7(5) ms
[3,8(+69−15)]
α 205 Ra 5/2−#
210 ème 90 120 210.015075(27) 17(11) ms
[9(+17−4) ms]
α 206 Ra 0+
β + (rare) 210 Ac
211 ème 90 121 211.01493(8) 48(20) ms
[0,04(+3−1) s]
α 207 Ra 5/2−#
β + (rare) 211 Ac
212 ème 90 122 212.01298(2) 36(15) ms
[30 (+20-10) ms]
(99,7 %) 208 Ra 0+
β + (0,3%) 212 Ac
213 ème 90 123 213.01301(8) 140(25) ms α 209 Ra 5/2−#
β + (rare) 213 Ac
214 ème 90 124 214.011500(18) 100(25) ms α 210 Ra 0+
215 ème 90 125 215.011730(29) 1.2(2) art. α 211 Ra (1/2−)
216 ème 90 126 216.011062(14) 26,8(3) ms (99,99%) 212 Ra 0+
β + (0,006%) 216 Ac
216m1 Th 2042(13) keV 137(4) s (8+)
216m2 Th 2637(20) keV 615(55) ns (11−)
217 ème 90 127 217.013114(22) 240(5) s α 213 Ra (9/2+)
218 ème 90 128 218.013284(14) 109(13) ns α 214 Ra 0+
219 ème 90 129 219.01554(5) 1,05(3) s α 215 Ra 9/2+#
β + (10 -7 %) 219 Ac
220 ème 90 130 220.015748(24) 9.7(6) s α 216 Ra 0+
CE (2×10 −7 %) 220 Ac
221 ème 90 131 221.018184(10) 1,73(3) ms α 217 Ra (7/2+)
222 ème 90 132 222.018468(13) 2,237(13) millisecondes α 218 Ra 0+
CE (1,3×10 −8 %) 222 Ac
223 ème 90 133 223.020811(10) 0,60(2) art. α 219 Ra (5/2)+
224 ème 90 134 224.021467(12) 1.05(2) art. α 220 Ra 0+
β + β + (rare) 224 Ra
CD (rare) 208 Pb
16 O
225 ème 90 135 225.023951(5) 8.72(4) minutes (90%) 221 Ra (3/2)+
CE (10 %) 225 Ac
226 ème 90 136 226.024903(5) 30,57(10) minutes α 222 Ra 0+
227 ème Radioactinium 90 137 227.0277041(27) 18.68(9) d α 223 Ra 1/2+ Trace
228 ème Radiothorium 90 138 228.0287411(24) 1.9116(16) oui α 224 Ra 0+ Trace
CD (1,3×10 -11 %) 208 Pb
20 O
229 ème 90 139 229.031762(3) 7,34 (16) 10 x 3  y α 225 Ra 5/2+ Trace
229m E 8.3(2) eV 7(1) s IL 229 ème 3/2+
230 ème Ionium 90 140 230.0331338(19) 7,538 (30) 10 x 4  y α 226 Ra 0+ 0,0002(2)
CD (5,6×10 -11 %) 206 Hg
24
FS (5×10 −11 %) (Divers)
231 ème Uranium Y 90 141 231.0363043(19) 25.52(1) h β - 231 Pa 5/2+ Trace
(10 −8 %) 227 Ra
232 ème Thorium 90 142 232.0380553(21) 1,405 (6) x 10 10  y α 228 Ra 0+ 0.9998(2)
β - β - (rare) 232 U
FS (1,1×10 −9 %) (divers)
CD (2,78×10 -10 %) 182 Oui
26
24
233 ème 90 143 233.0415818(21) 21,83(4) minutes β - 233 Pa 1/2+
234 ème Uranium X 1 90 144 234.043601(4) 24.10(3) d β - 234 m Pa 0+ Trace
235 ème 90 145 235.04751(5) 7.2(1) min β - 235 Pa (1/2+)#
236 ème 90 146 236.04987(21)# 37,5(2) minutes β - 236 Pa 0+
237 ème 90 147 237.05389(39)# 4.8(5) minutes β - 237 Pa 5/2+#
238 ème 90 148 238.0565(3)# 9,4(20) minutes β - 238 Pa 0+
Cet en-tête et pied de page de tableau :
  1. ^ m Th – Isomère nucléaire excité.
  2. ^ ( ) – L'incertitude (1 σ ) est donnée sous forme concise entre parenthèses après les derniers chiffres correspondants.
  3. ^ # – Masse atomique marquée # : valeur et incertitude dérivées non pas de données purement expérimentales, mais au moins en partie des tendances de la surface de masse (TMS).
  4. ^ Demi-vie audacieuse  - presque stable, demi-vie plus longue que l' âge de l'univers .
  5. ^ Modes de décomposition :
    CD: Décroissance des grappes
    CE : Capture d'électrons
    IL: Transition isométrique
  6. ^ Symbole en gras en tant que fille – Le produit fille est stable.
  7. ^ ( ) valeur de rotation – Indique la rotation avec des arguments d'affectation faibles.
  8. ^ # – Les valeurs marquées # ne sont pas purement dérivées de données expérimentales, mais au moins en partie des tendances des nucléides voisins (TNN).
  9. ^ a b Produit de désintégration intermédiaire de 235 U
  10. ^ Produit de désintégration intermédiaire de 232 Th
  11. ^ Produit de désintégration intermédiaire de 237 Np
  12. ^ Utilisé dans la datation Uranium-thorium
  13. ^ a b Produit de désintégration intermédiaire de 238 U
  14. ^ Radionucléide primordial

Les usages

Le thorium a été suggéré pour une utilisation dans l'énergie nucléaire à base de thorium .

Dans de nombreux pays, l'utilisation du thorium dans les produits de consommation est interdite ou déconseillée car il est radioactif.

Il est actuellement utilisé dans les cathodes des tubes à vide, pour une combinaison de stabilité physique à haute température et d'une faible énergie de travail nécessaire pour retirer un électron de sa surface.

Il a, pendant environ un siècle, été utilisé dans les manteaux de lampes à gaz et à vapeur tels que les lampes à gaz et les lanternes de camping.

Lentilles à faible dispersion

Le thorium a également été utilisé dans certains éléments en verre des lentilles Aero-Ektar fabriquées par Kodak pendant la Seconde Guerre mondiale. Ils sont donc faiblement radioactifs. Deux des éléments en verre des objectifs f/2,5 Aero-Ektar contiennent 11 % et 13 % de thorium en poids. Les verres au thorium ont été utilisés car ils ont un indice de réfraction élevé avec une faible dispersion (variation d'indice avec la longueur d'onde), une propriété très recherchée. De nombreuses lentilles Aero-Ektar qui ont survécu ont une teinte de thé, probablement en raison des dommages causés par les radiations au verre.

Ces lentilles ont été utilisées pour la reconnaissance aérienne car le niveau de rayonnement n'est pas assez élevé pour brouiller le film sur une courte période. Cela indiquerait que le niveau de rayonnement est raisonnablement sûr. Cependant, lorsqu'elles ne sont pas utilisées, il serait prudent de stocker ces lentilles aussi loin que possible des zones normalement habitées ; permettant à la relation carrée inverse d'atténuer le rayonnement.

Actinides vs produits de fission

Actinides et produits de fission par demi-vie
Actinides par chaîne de désintégration
Plage de demi-vie ( a )
Produits de fission de 235 U par rendement
4 n 4 n +1 4 n +2 4 n +3
4,5 à 7 % 0,04-1,25 % <0,001 %
228 Ra 4–6 un 155 Euþ
244 cmƒ 241 Puƒ 250 Cf 227 Ac 10–29 un 90 Sr 85 kr 113m Cdþ
232 Uƒ 238 Puƒ 243 cmƒ 29-97 un 137 Cs 151 Smþ 121m Sn
248 Bk 249 Cfƒ 242m amƒ 141-351 un

Aucun produit de fission
n'a une demi-vie
comprise entre
100 et 210 ka ...

241 Amƒ 251 Cfƒ 430-900 un
226 Ra 247 Bk 1,3–1,6 ka
240 unités 229 ème 246 cmƒ 243 Amƒ 4,7 à 7,4 ka
245 cmƒ 250 cm 8,3 à 8,5 ka
239 Puƒ 24,1 ka
230 ème 231 Pa 32-76 ka
236 Npƒ 233 Uƒ 234 U 150-250 ka 99 Tc 126 Sn
248 cm 242 Pu 327-375 ka 79 Se
1,53 Ma 93 Zr
237 Npƒ 2,1–6,5 mA 135 Cs 107 Pd
236 U 247 cmƒ 15–24 Ma 129 I
244 Pu 80 M

... ni au-delà de 15,7 Ma

232 Th 238 U 235 Uƒ№ 0,7 à 14,1 Ga

Légende des symboles en exposant
₡ a une section efficace de capture des neutrons thermiques de l'ordre de 8 à 50 granges
ƒ  m  isomère métastable fissile № principalement une matière radioactive naturelle (MRN) þ  poison neutronique (section efficace de capture des neutrons thermiques supérieure à 3 000 granges) † plage 4–97 a : Produit de fission à vie moyenne supérieure à 200 ka : Produit de fission à vie longue




Isotopes notables

Thorium-228

Le 228 Th est un isotope du thorium à 138 neutrons . Il était autrefois nommé Radiothorium, en raison de son apparition dans la chaîne de désintégration du thorium-232. Il a une demi-vie de 1,9116 ans. Il subit une désintégration alpha jusqu'à 224 Ra . Parfois, il se désintègre par la voie inhabituelle de la désintégration en grappes , émettant un noyau de 20 O et produisant du 208 Pb stable. C'est un isotope fille de 232 U .

Le 228 Th a un poids atomique de 228,0287411 grammes/mole.

Thorium-229

Le 229 Th est un isotope radioactif du thorium qui se désintègre parémission alpha avec une demi-vie de 7917 ans. Le 229 Th est produit par la désintégration de l' uranium-233 et son utilisation principale est la production des isotopes médicaux actinium-225 et bismuth-213 .

Thorium-229m

En 1976, la spectroscopie gamma a indiqué pour la première fois que le 229 Th possède un isomère nucléaire , le 229m Th, avec une énergie d'excitation remarquablement faible. À cette époque, l'énergie était supposée être inférieure à 100 eV, uniquement sur la base de la non-observation de la désintégration directe de l'isomère. Cependant, en 1990, d'autres mesures ont conduit à la conclusion que l'énergie est presque certainement inférieure à 10 eV, faisant de l'isomère l'une des plus faibles énergies d'excitation connues. Au cours des années suivantes, l'énergie a été encore limitée à 3,5 ± 1,0 eV, ce qui a longtemps été la valeur énergétique acceptée. Cette faible énergie a rapidement suscité un certain intérêt car elle permet conceptuellement une excitation laser directe de l'état nucléaire, ce qui conduit à des applications potentielles intéressantes, par exemple le développement d'une horloge nucléaire de très haute précision ou comme qubit pour l'informatique quantique .

L'excitation par laser nucléaire de 229m Th et donc aussi le développement d'une horloge nucléaire ont été jusqu'à présent entravés par une connaissance insuffisante des propriétés isomères. Une connaissance précise de l'énergie isomérique est particulièrement importante dans ce contexte, car elle détermine la technologie laser requise et raccourcit les temps de balayage lors de la recherche de l'excitation directe. Cela a déclenché une multitude d'enquêtes, à la fois théoriques et expérimentales, essayant de déterminer avec précision l'énergie de transition et de spécifier d'autres propriétés de l'état isomérique du 229 Th (telles que la durée de vie et le moment magnétique).

L'observation directe des photons émis dans la désintégration isomérique aiderait considérablement à déterminer la valeur énergétique isomérique. Malheureusement, jusqu'à aujourd'hui, il n'y a eu aucun rapport totalement concluant sur la détection de photons émis dans la désintégration de 229m Th. Au lieu de cela, des mesures améliorées de spectroscopie des rayons gamma à l'aide d'un microcalorimètre à rayons X haute résolution avancé ont été effectuées en 2007, donnant une nouvelle valeur pour l'énergie de transition de E = 7,6 ± 0,5 eV, corrigée à E = 7,8 ± 0,5 eV en 2009. Ce changement d'énergie isomérique de 3,5 eV à 7,8 eV explique peut-être pourquoi plusieurs premières tentatives d'observation directe de la transition ont échoué. Pourtant, la plupart des recherches récentes sur la lumière émise dans la désintégration isomérique n'ont permis d'observer aucun signal, pointant vers un canal de désintégration non radiatif potentiellement puissant. Une détection directe des photons émis dans la désintégration isomérique a été revendiquée en 2012 et à nouveau en 2018. Cependant, les deux rapports font actuellement l'objet de discussions controversées au sein de la communauté.

Une détection directe des électrons émis dans le canal de décroissance de conversion interne de 229 m Th a été réalisée en 2016. Cependant, à l'époque, l'énergie de transition de l'isomère ne pouvait être que faiblement contrainte entre 6,3 et 18,3 eV. Enfin, en 2019, la spectroscopie électronique non optique des électrons de conversion interne émis dans la décroissance isomérique a permis de déterminer l'énergie d'excitation de l'isomère à8,28 ± 0,17 eV , ce qui représente la valeur énergétique la plus précise d'aujourd'hui. Cependant, cette valeur semble en contradiction avec la préimpression de 2018 montrant qu'un signal similaire à celui d'un photon VUV au xénon de 8,4 eV peut être affiché, mais avec environ1.3+0,2
-0,1
 eV en
moins d'énergie et une durée de vie de 1880 s. Dans cet article, le 229 Th était intégré dans le SiO 2 , ce qui a probablement entraîné un changement d'énergie et une durée de vie modifiée, bien que les états impliqués soient principalement nucléaires, les protégeant des interactions électroniques.

Comme particularité de l'énergie d'excitation extrêmement faible, la durée de vie de 229m Th dépend beaucoup de l'environnement électronique du noyau. Dans les ions 229 Th, le canal de décroissance de conversion interne est énergétiquement interdit, car l'énergie isomère est inférieure à l'énergie requise pour une ionisation supplémentaire de Th + . Cela conduit à une durée de vie qui peut approcher la durée de vie radiative de 229 m Th, pour laquelle aucune mesure n'existe, mais qui a été théoriquement prédite entre 10 3 et 10 4 secondes. Expérimentalement, pour les ions 229m Th 2+ et 229m Th 3+ , une durée de vie isomérique supérieure à 1 minute a été trouvée. Contrairement à cela, dans les atomes neutres de 229 Th, le canal de décroissance de conversion interne est autorisé, ce qui conduit à une durée de vie isomérique qui est réduite de 9 ordres de grandeur à environ 10 microsecondes. Une durée de vie de l'ordre de quelques microsecondes a en effet été confirmée en 2017 pour des atomes de 229m Th neutres liés à la surface , sur la base de la détection du signal de décroissance de conversion interne.

Dans une expérience de 2018, il a été possible de réaliser une première caractérisation spectroscopique laser des propriétés nucléaires de 229m Th. Dans cette expérience, la spectroscopie laser de la coquille atomique 229 Th a été réalisée en utilisant un nuage d'ions 229 Th 2+ avec 2% des ions à l'état excité nucléaire. Cela a permis de sonder le décalage hyperfin induit par les différents états de spin nucléaire du sol et l'état isomère. De cette façon, une première valeur expérimentale pour le dipôle magnétique et le moment quadripolaire électrique de 229m Th a pu être déduite.

En 2019, l'énergie d'excitation de l'isomère a été contrainte à 8,28 ± 0,17 eV sur la base de la détection directe d'électrons de conversion internes et d'une population sécurisée de 229 m Th de l'état nucléaire fondamental a été obtenue par excitation de l'état excité nucléaire de 29 keV via un rayonnement synchrotron. Des mesures supplémentaires effectuées par un autre groupe en 2020 ont produit un chiffre de8,10 ± 0,17 eV (153,1 ± 3,2 nm de longueur d'onde). En combinant ces mesures, nous avons une énergie de transition attendue de8,12 ± 0,11 eV .

L'état excité à 29189,93 eV du 229 Th se désintègre à l'état isomère avec une probabilité de 90 %. Ces deux mesures sont d'autres étapes importantes vers le développement d'une horloge nucléaire . Des expériences de spectroscopie gamma ont également confirmé la séparation d'énergie de 8,3 eV entre la distance et le niveau de 29189,93 eV. 8.28 eV (150 nm) est accessible en tant que 7e harmonique d'un laser à fibre d'ytterbium par un peigne de fréquence VUV. L'adaptation de phase à onde continue pour la génération d'harmoniques peut être disponible.

Thorium-230

Le 230 Th est un isotope radioactif du thorium qui peut être utilisé pour dater les coraux et déterminer le flux des courants océaniques . L'ionium était un nom donné au début de l'étude des éléments radioactifs à l'isotope 230 Th produit dans la chaîne de désintégration du 238 U avant qu'on ne réalise que l'ionium et le thorium sont chimiquement identiques. Le symbole Io a été utilisé pour cet élément supposé. (Le nom est encore utilisé dans la datation ionium-thorium .)

Thorium-231

231 Th a 141 neutrons . C'est le produit de désintégration de l' uranium-235 . Il se trouve en très petites quantités sur la terre et a une demi-vie de 25,5 heures. Lorsqu'il se désintègre, il émet un rayon bêta et forme du protactinium-231 . Il a une énergie de désintégration de 0,39 MeV. Il a une masse de 231,0363043 grammes/mole.

Thorium-232

Le 232 Th est le seul nucléide primordial du thorium et constitue effectivement tout le thorium naturel, les autres isotopes du thorium n'apparaissant qu'à l'état de traces sous forme de produits de désintégration à durée de vie relativement courtede l' uranium et du thorium. L'isotope se désintègre par désintégration alpha avec une demi-vie de 1,405 × 10 10 ans, soit plus de trois fois l' âge de la Terre et approximativement l' âge de l'univers . Sa chaîne de désintégration est la série du thorium , se terminant finalement par le plomb-208 . Le reste de la chaîne est rapide ; les demi-vies les plus longues y sont de 5,75 ans pour le radium-228 et de 1,91 an pour le thorium-228 , toutes les autres demi-vies totalisant moins de 15 jours.

Le 232 Th est un matériau fertile capable d' absorber un neutron et de subir une transmutation en le nucléide fissile uranium-233 , qui est à la base du cycle du combustible thorium . Sous forme de Thorotrast , une suspension de dioxyde de thorium , il a été utilisé comme produit de contraste dans les premiers diagnostics radiographiques . Le thorium-232 est désormais classé comme cancérigène .

Thorium-233

Le 233 Th est un isotope du thorium qui se désintègre en protactinium-233 par désintégration bêta. Il a une demi-vie de 21,83 minutes.

Thorium-234

Le 234 Th est un isotope du thorium dont les noyaux contiennent 144 neutrons . Le 234 Th a une demi-vie de 24,1 jours et lorsqu'il se désintègre, il émet une particule bêta et, ce faisant, il se transmute en protactinium -234. Le 234 Th a une masse de 234,0436 unités de masse atomique (amu), et il a une énergie de désintégration d'environ 270 keV ( kiloélectronvolts ). L'uranium -238 se désintègre généralement en cet isotope du thorium (bien que dans de rares cas, il puisse subir une fission spontanée à la place).

Les références