Isotopes du xénon

Le xénon, de symbole Xe, possède 41 isotopes connus, de nombre de masse variant de 108 à 148, et 12 isomères nucléaires. Le xénon naturel, dont la masse atomique standard est de 131,293(6) u, est constitué de sept isotopes stables (¹²⁶Xe, ¹²⁸Xe, ¹²⁹Xe, ¹³⁰Xe, ¹³¹Xe, ¹³²Xe et ¹³⁴Xe) et de deux radioisotopes primordiaux (¹²⁴Xe et ¹³⁶Xe), faisant de lui le second élément avec le plus d'isotopes stables (il est dépassé par l'étain qui a dix isotopes stables^[1]). On soupçonne deux d'entre eux (¹²⁶Xe et ¹³⁴Xe) de pouvoir subir une double désintégration bêta, mais elle n'a pas encore été observée^[2]^,^[3].

Parmi les 33 radioisotopes connus du xénon, ¹²⁴Xe et ¹³⁶Xe sont ceux qui ont la demi-vie la plus longue, se désintégrant respectivement par double capture électronique avec une demi-vie de (1,8 ± 0,6) × 10²² ans^[4] et par double désintégration bêta avec une demi-vie de 2,11 × 10²¹ ans^[5], suivis par ¹²⁷Xe (36,345 jours). L'isotope connu à la plus courte vie est ¹⁴⁸Xe avec une demi-vie de 408 ns. Des isomères connus, celui à la plus longue durée de vie est ^131mXe avec une demi-vie de 11,934 jours. Tous les autres isomères ont des demi-vies inférieures à 12 jours, et la plupart inférieures à 20 heures.

Les isotopes les plus légers se désintègrent principalement par émission de positron (β⁺) en isotopes de l'iode, les plus lourds principalement par désintégration β⁻ en isotopes du césium.

Propriétés

¹⁰⁸Xe, découvert en 2011, est le second plus lourd isotope connu avec un nombre de protons et de neutrons égaux, après ¹¹²Ba.

¹²⁴Xe est le premier isotope pour lequel on a réussi à observer une désintégration par double capture électronique, et au moment de cette découverte il s'agit de l'isotope connu ayant la plus longue demi-vie avec 1,8 × 10²² ans^[4].

¹²⁹Xe est le produit de la désintégration β de ¹²⁹I (demi-vie de 16 millions d'années). Comme ce dernier, les isotopes ^131mXe, ¹³³Xe, ^133mXe et ¹³⁵Xe font partie des produits de fission de l'uranium 235 et du plutonium 239^[6]^,^[7], et peuvent donc servir d'indicateurs d'explosion nucléaire d'origine humaine.

Les divers isotopes du xénon sont initialement produits par les supernovas, mais aussi par les géantes rouges^[8], et la décroissance radioactive (ultérieure) d'éléments comme l'iode, ainsi que les produits de fission de l'uranium^[6].

Dans des conditions défavorables, des concentrations relativement élevées d'isotopes radioactifs du xénon peuvent émaner de réacteurs nucléaires du fait de la libération de produits de fission par des barreaux de combustible endommagés^[9], ou en cas de fuite d'eau du circuit primaire de refroidissement^[10]. Ces concentrations restent toutefois généralement basses comparées à l’occurrence naturelle de gaz nobles radioactifs tel que le ²²²Rn.

Certains isotopes du xénon peuvent servir de traceurs notamment pour deux isotopes parents : le rapport de concentration d'isotopes dans des météorites constitue par exemple un outil puissant pour étudier la formation du système solaire. La méthode de datation iode-xénon permet d'étudier des temps situés entre la nucléosynthèse et la condensation d'objets solides du disque protoplanétaire. Des rapports tels que ¹²⁹Xe/¹³⁰Xe ou ¹³⁶Xe/¹³⁰Xe sont également des outils puissants pour étudier la genèse de la Terre^[11]. Par exemple, l'excès de ¹²⁹Xe trouvé dans les gisements de dioxyde de carbone du Nouveau-Mexique pourrait avoir pour origine la désintégration de gaz du manteau terrestre peu après la formation de la Terre^[12]^,^[6]^,^[7].

Isotopes remarquables

Xénon naturel

Le xénon naturel est constitué de sept isotopes stables (¹²⁶Xe, ¹²⁸Xe, ¹²⁹Xe, ¹³⁰Xe, ¹³¹Xe, ¹³²Xe et ¹³⁴Xe) et de deux radioisotopes primordiaux (¹²⁴Xe et ¹³⁶Xe) quasi stables (avec des demi-vies de respectivement 1,8 × 10²² et 2,11 × 10²¹ années, leur radioactivité est négligeable dans toutes les applications, et de fait difficilement détectable).

Isotope	Abondance (pourcentage molaire)
¹²⁴Xe	0,0952 (3) %
¹²⁶Xe	0,0890 (2) %
¹²⁸Xe	1,9102 (8) %
¹²⁹Xe	26,4006 (82) %
¹³⁰Xe	4,0710 (13) %
¹³¹Xe	21,2324 (30) %
¹³²Xe	26,9086 (33) %
¹³⁴Xe	10,4357 (21) %
¹³⁶Xe	8,8573(44) %

Xénon 124

Le xénon 124 (¹²⁴Xe), longtemps considéré comme stable, est en fait radioactif, mais avec la plus longue demi-vie jamais observée^[a] en 2019, (1,8 ± 0,6) × 10²² ans^[13]^,^[4] (1 300 milliards de fois l'âge de l'Univers). Il se décompose en tellure 124 par double capture électronique :

124
54Xe + 2 e⁻ ⟶ 124
52Te + 2

ν

_e.

Xénon 133

Le xénon 133 (¹³³Xe, appellation commerciale Xeneisol, code ATC V09EX03) est l'isotope du xénon dont le noyau est constitué de 54 protons et de 79 neutrons. C'est un radioisotope de demi-vie de près de 5,25 jours (5 jours et 6 heures) ; il se transmute en césium 133 stable, par émission β⁻. Il est utilisé par inhalation en imagerie médicale pour observer les fonctions pulmonaires et radiographier les poumons. Il est aussi souvent utilisé pour visualiser la circulation sanguine, en particulier dans le cerveau. C'est un important produit de fission.

Xénon 135

Article détaillé : Xénon 135.

Le xénon 135 (¹³⁵Xe) est l'isotope du xénon dont le noyau est constitué de 54 protons et de 81 neutrons. C'est un radioisotope de demi-vie de près de 9,14 heures (9 heures et 8 minutes et quelques) ; il se transmute par émission β⁻ en césium 135, lui-même émetteur β⁻. C'est un isotope artificiel d'une importance primordiale dans l'utilisation de réacteur à fission nucléaire. ¹³⁵Xe possède une très grande section efficace pour les neutrons thermiques à 2,65 × 10⁶ barns^[14], et agit donc comme « poison à neutrons » pouvant ralentir ou stopper la réaction en chaîne (« empoisonnement au xénon »). Cet effet a été découvert dans les tout premiers premiers réacteurs nucléaires construits par le projet Manhattan pour produire du plutonium. Heureusement pour eux, les ingénieurs ayant dimensionné le réacteur avaient prévu de la marge pour augmenter sa réactivité (nombre de neutrons par fission qui eux-mêmes induisent la fission d'autres atomes du combustible nucléaire)^[15].
L'empoisonnement du réacteur par le ¹³⁵Xe joua un rôle important dans la catastrophe de Tchernobyl^[16].

Table des isotopes

Symbole de l'isotope	Z (p)	N (n)	masse isotopique	Demi-vie	Mode(s) de désintégration^[17]^,^{[n 1]}	Isotope(s)-fils^{[n 2]}	Spin nucléaire
Symbole de l'isotope	Énergie d'excitation			Demi-vie	Mode(s) de désintégration^[17]^,^{[n 1]}	Isotope(s)-fils^{[n 2]}	Spin nucléaire
¹¹⁰Xe	54	56	109,94428(14)	310(190) ms [105(+35-25) ms]	β⁺	¹¹⁰I	0+
¹¹⁰Xe	54	56	109,94428(14)	310(190) ms [105(+35-25) ms]	α	¹⁰⁶Te	0+
¹¹¹Xe	54	57	110,94160(33)#	740(200) ms	β⁺ (90 %)	¹¹¹I	5/2+#
¹¹¹Xe	54	57	110,94160(33)#	740(200) ms	α (10 %)	¹⁰⁷Te	5/2+#
¹¹²Xe	54	58	111,93562(11)	2,7(8) s	β⁺ (99,1 %)	¹¹²I	0+
¹¹²Xe	54	58	111,93562(11)	2,7(8) s	α (0,9 %)	¹⁰⁸Te	0+
¹¹³Xe	54	59	112,93334(9)	2,74(8) s	β⁺ (92,98 %)	¹¹³I	(5/2+)#
					β⁺, p (7 %)	¹¹²Te
					α (0,011 %)	¹⁰⁹Te
					β⁺, α (0,007 %)	¹⁰⁹Sb
¹¹⁴Xe	54	60	113,927980(12)	10,0(4) s	β⁺	¹¹⁴I	0+
¹¹⁵Xe	54	61	114,926294(13)	18(4) s	β⁺ (99,65 %)	¹¹⁵I	(5/2+)
					β⁺, p (0,34 %)	¹¹⁴Te
					β⁺, α (3 × 10⁻⁴ %)	¹¹¹Sb
¹¹⁶Xe	54	62	115,921581(14)	59(2) s	β⁺	¹¹⁶I	0+
¹¹⁷Xe	54	63	116,920359(11)	61(2) s	β⁺ (99,99 %)	¹¹⁷I	5/2(+)
¹¹⁷Xe	54	63	116,920359(11)	61(2) s	β⁺, p (0,0029 %)	¹¹⁶Te	5/2(+)
¹¹⁸Xe	54	64	117,916179(11)	3,8(9) min	β⁺	¹¹⁸I	0+
¹¹⁹Xe	54	65	118,915411(11)	5,8(3) min	β⁺	¹¹⁹I	5/2(+)
¹²⁰Xe	54	66	119,911784(13)	40(1) min	β⁺	¹²⁰I	0+
¹²¹Xe	54	67	120,911462(12)	40,1(20) min	β⁺	¹²¹I	(5/2+)
¹²²Xe	54	68	121,908368(12)	20,1(1) h	β⁺	¹²²I	0+
¹²³Xe	54	69	122,908482(10)	2,08(2) h	CE	¹²³I	1/2+
^123mXe	185,18(22) keV			5,49(26) µs			7/2(-)
¹²⁴Xe^{[n 3]}	54	70	123,905893(2)	1,8 × 10²² a^[4]	Double CE	¹²⁴Te	0+
¹²⁵Xe	54	71	124,9063955(20)	16,9(2) h	β⁺	¹²⁵I	1/2(+)
^125m1Xe	252,60(14) keV			56,9(9) s	TI	¹²⁵Xe	9/2(-)
^125m2Xe	295,86(15) keV			0,14(3) µs			7/2(+)
¹²⁶Xe	54	72	125,904274(7)	Observé stable^{[n 4]}			0+
¹²⁷Xe	54	73	126,905184(4)	36,345(3) j	CE	¹²⁷I	1/2+
^127mXe	297,10(8) keV			69,2(9) s	TI	¹²⁷Xe	9/2-
¹²⁸Xe	54	74	127,9035313(15)	Observé stable^{[n 5]}			0+
¹²⁹Xe^{[n 6]}	54	75	128,9047794(8)	Observé stable^{[n 5]}			1/2+
^129mXe	236,14(3) keV			8,88(2) j	TI	¹²⁹Xe	11/2-
¹³⁰Xe	54	76	129,9035080(8)	Observé stable^{[n 5]}			0+
¹³¹Xe^{[n 7]}	54	77	130,9050824(10)	Observé stable^{[n 5]}			3/2+
^131mXe	163,930(8) keV			11,934(21) j	TI	¹³¹Xe	11/2-
¹³²Xe^{[n 7]}	54	78	131,9041535(10)	Observé stable^{[n 5]}			0+
^132mXe	2752,27(17) keV			8,39(11) ms	TI	¹³²Xe	(10+)
¹³³Xe^{[n 8]}^,^{[n 7]}	54	79	132,9059107(26)	5,2475(5) j	β⁻	¹³³Cs	3/2+
^133mXe	233,221(18) keV			2,19(1) j	TI	¹³³Xe	11/2-
¹³⁴Xe^{[n 7]}	54	80	133,9053945(9)	Observé stable^{[n 9]}			0+
^134m1Xe	1965,5(5) keV			290(17) ms	TI	¹³⁴Xe	7-
^134m2Xe	3025,2(15) keV			5(1) µs			(10+)
¹³⁵Xe^{[n 10]}	54	81	134,907227(5)	9,14(2) h	β⁻	¹³⁵Cs	3/2+
^135mXe	526,551(13) keV			15,29(5) min	TI (99,99 %)	¹³⁵Xe	11/2-
^135mXe	526,551(13) keV			15,29(5) min	β⁻ (0,004 %)	¹³⁵Cs	11/2-
¹³⁶Xe	54	82	135,907219(8)	2,11(0,04;0,21) × 10²¹ a^[5]	β⁻β⁻	¹³⁶Ba	0+
^136mXe	1891,703(14) keV			2,95(9) µs			6+
¹³⁷Xe	54	83	136,911562(8)	3,818(13) min	β⁻	¹³⁷Cs	7/2-
¹³⁸Xe	54	84	137,91395(5)	14,08(8) min	β⁻	¹³⁸Cs	0+
¹³⁹Xe	54	85	138,918793(22)	39,68(14) s	β⁻	¹³⁹Cs	3/2-
¹⁴⁰Xe	54	86	139,92164(7)	13,60(10) s	β⁻	¹⁴⁰Cs	0+
¹⁴¹Xe	54	87	140,92665(10)	1,73(1) s	β⁻ (99,45 %)	¹⁴¹Cs	5/2(-#)
¹⁴¹Xe	54	87	140,92665(10)	1,73(1) s	β⁻, n (0,043 %)	¹⁴⁰Cs	5/2(-#)
¹⁴²Xe	54	88	141,92971(11)	1,22(2) s	β⁻ (99,59 %)	¹⁴²Cs	0+
¹⁴²Xe	54	88	141,92971(11)	1,22(2) s	β⁻, n (0,41 %)	¹⁴¹Cs	0+
¹⁴³Xe	54	89	142,93511(21)#	0,511(6) s	β⁻	¹⁴³Cs	5/2-
¹⁴⁴Xe	54	90	143,93851(32)#	0,388(7) s	β⁻	¹⁴⁴Cs	0+
¹⁴⁴Xe	54	90	143,93851(32)#	0,388(7) s	β⁻, n	¹⁴³Cs	0+
¹⁴⁵Xe	54	91	144,94407(32)#	188(4) ms	β⁻	¹⁴⁵Cs	(3/2-)#
¹⁴⁶Xe	54	92	145,94775(43)#	146(6) ms	β⁻	¹⁴⁶Cs	0+
¹⁴⁷Xe	54	93	146,95356(43)#	130(80) ms [0,10(+10-5) s]	β⁻	¹⁴⁷Cs	3/2-#
¹⁴⁷Xe	54	93	146,95356(43)#	130(80) ms [0,10(+10-5) s]	β⁻, n	¹⁴⁶Cs	3/2-#

Remarques

La composition isotopique est celle de l'air.
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 spécimens 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.

Notes et références

Notes

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