Isotopes du zirconium
# 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, $^{90}Zr,$ $^{91}Zr,$ $^{92}Zr$ et $^{94}Zr,$ et sont présents dans la nature dans un ratio 51/11/17/17 avec un radioisotope naturel, nucléide primordial, $^{96}Zr$ qui se désintègre par double désintégration β avec une demi-vie observée de 2,0 × $10^{19}$ années. $^{94}Zr$ 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 × $10^{17}$ 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 $^{93}Zr,$ avec une demi-vie de 1,53 million d'années. Les suivants ont des demi-vies plus modestes, $^{95}Zr$ (64,02 jours), $^{88}Zr$ (63,4 jours) et $^{89}Zr$ (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 $^{88}Zr$ qui se désintègre principalement par capture électronique, tous en isotopes de l'yttrium. Les radioisotopes les plus lourds (à commencer par $^{93}Zr)$ se désintègrent eux principalement par désintégration $β^−$ en isotopes du niobium, à l'exception de $^{96}Zr$ mentionné plus haut.

Le zirconium est l'élément le plus lourd pouvant être formé par fusion symétrique, à partir de $^{45}Sc$ ou de $^{46}Ca,$ produisant (via $^{90}Mo$ et deux désintégrations β) $^{90}Zr$ et $^{92}Zr,$ 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 $^{90}Zr,$ $^{91}Zr,$ $^{92}Zr$ et $^{94}Zr$ (ce dernier étant toutefois soupçonné d'être très légèrement radioactif), et du radioisotope primordial $^{96}Zr.$ Celui-ci se désintègre par double désintégration β avec une demi-vie observée de 2,0 × $10^{19}$ années ; il peut théoriquement subir une désintégration β simple qui n'a cependant jamais été observée, avec une demi-vie prédite de 2,4 × $10^{20}$ années.

| Isotope | Abondance (pourcentage molaire) | Section efficace d'absorption thermique (barn) |
| - | - | - |
| $^{90}Zr$ | 51,45 (40) % | 0,1 |
| $^{91}Zr$ | 11,22 (5) % | 1,58 |
| $^{92}Zr$ | 17,15 (8) % | 0,25 |
| $^{94}Zr$ | 17,38 (28) % | 0,075 |
| $^{96}Zr$ | 2,80 (9) % | 0,05 |

### Zirconium 89

Le zirconium 89 $(^{89}Zr)$ 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).

### Zirconium 93

Rendement (%) par fission :

| | Thermique | Rapide | 14 MeV |
| - | - | - | - |
| $^{232}Th$ | non-fissile | 6,70 ± 0,40 | 5,58 ± 0,16 |
| $^{233}U$ | 6,979 ± 0,098 | 6,94 ± 0,07 | 5,38 ± 0,32 |
| $^{235}U$ | 6,346 ± 0,044 | 6,25 ± 0,04 | 5,19 ± 0,31 |
| $^{238}U$ | non-fissile | 4,913 ± 0,098 | 4,53 ± 0,13 |
| $^{239}Pu$ | 3,80 ± 0,03 | 3,82 ± 0,03 | 3,0 ± 0,3 |
| $^{241}Pu$ | 2,98 ± 0,04 | 2,98 ± 0,33 | ? |

Le zirconium 93 $(^{93}Zr)$ 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 $^{96}Zr,$ se désintégrant par émission $β^−$ (60 keV) avec une demi-vie de 1,53 Ma pour donner le $^{93m}Nb$ qui se désintègre lui avec une demi-vie de 14 ans par émission gamma de faible énergie en $^{93}Nb,$ stable. C'est une des radioactivités éteintes.

$^{93}Zr$ est l'un des sept produits de fission à vie longue. Un gramme de $^{93}Zr$ 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 $^{235}U$ 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 $^{92}Zr.$ Elle représente 5 % du $^{93}Zr$ total présent dans le combustible destiné au retraitement ; il se retrouve dans les conteneurs de déchets de type B.

$^{93}Zr$ a aussi une faible section efficace, 0,7 $barn^,.$ La plupart des fissions du zirconium concernent d'autres isotopes ; l'autre isotope avec une section efficace significative est $^{91}Zr$ (1,24 barn). $^{93}Zr$ 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 | Mode(s) de $désintégration^,$ | Isotope(s) fils | Spin nucléaire |
| - | - | - | - | - | - | - | - |
| Spin nucléaire |||
| $^{78}Zr$ | 40 | 38 | 77,95523(54)# | 50# ms [>170 ns] | | | 0+ |
| $^{79}Zr$ | 40 | 39 | 78,94916(43)# | 56(30) ms | $β^+,$ p | $^{78}Sr$ | 5/2+# |
| $^{79}Zr$ | 40 | 39 | 78,94916(43)# | 56(30) ms | $β^+$ | $^{79}Y$ | 5/2+# |
| $^{80}Zr$ | 40 | 40 | 79,9404(16) | 4,6(6) s | $β^+$ | $^{80}Y$ | 0+ |
| $^{81}Zr$ | 40 | 41 | 80,93721(18) | 5,5(4) s | $β^+$ (>99,9 %) | $^{81}Y$ | (3/2-)# |
| $^{81}Zr$ | 40 | 41 | 80,93721(18) | 5,5(4) s | $β^+,$ p (<0,1 %) | $^{80}Sr$ | (3/2-)# |
| $^{82}Zr$ | 40 | 42 | 81,93109(24)# | 32(5) s | $β^+$ | $^{82}Y$ | 0+ |
| $^{83}Zr$ | 40 | 43 | 82,92865(10) | 41,6(24) s | $β^+$ (>99,9 %) | $^{83}Y$ | (1/2-)# |
| $^{83}Zr$ | 40 | 43 | 82,92865(10) | 41,6(24) s | $β^+,$ p (<0,1 %) | $^{82}Sr$ | (1/2-)# |
| $^{84}Zr$ | 40 | 44 | 83,92325(21)# | 25,9(7) min | $β^+$ | $^{84}Y$ | 0+ |
| $^{85}Zr$ | 40 | 45 | 84,92147(11) | 7,86(4) min | $β^+$ | $^{85}Y$ | 7/2+ |
| $^{85m}Zr$ | 292,2(3) keV | 292,2(3) keV | 292,2(3) keV | 10,9(3) s | TI (92 %) | $^{85}Zr$ | (1/2-) |
| $^{85m}Zr$ | 292,2(3) keV | 292,2(3) keV | 292,2(3) keV | 10,9(3) s | $β^+$ (8 %) | $^{85}Y$ | (1/2-) |
| $^{86}Zr$ | 40 | 46 | 85,91647(3) | 16,5(1) h | $β^+$ | $^{86}Y$ | 0+ |
| $^{87}Zr$ | 40 | 47 | 86,914816(9) | 1,68(1) h | $β^+$ | $^{87}Y$ | (9/2)+ |
| $^{87m}Zr$ | 335,84(19) keV | 335,84(19) keV | 335,84(19) keV | 14,0(2) s | TI | $^{87}Zr$ | (1/2)- |
| $^{88}Zr$ | 40 | 48 | 87,910227(11) | 83,4(3) j | CE | $^{88}Y$ | 0+ |
| $^{89}Zr$ | 40 | 49 | 88,908890(4) | 78,41(12) h | $β^+$ | $^{89}Y$ | 9/2+ |
| $^{89m}Zr$ | 587,82(10) keV | 587,82(10) keV | 587,82(10) keV | 4,161(17) min | TI (93,77 %) | $^{89}Zr$ | 1/2- |
| $^{89m}Zr$ | 587,82(10) keV | 587,82(10) keV | 587,82(10) keV | 4,161(17) min | $β^+$ (6,23 %) | $^{89}Y$ | 1/2- |
| $^{90}Zr$ | 40 | 50 | 89,9047044(25) | Stable | Stable | Stable | 0+ |
| $^{90m1}Zr$ | 2319,000(10) keV | 2319,000(10) keV | 2319,000(10) keV | 809,2(20) ms | TI | $^{90}Zr$ | 5- |
| $^{90m2}Zr$ | 3589,419(16) keV | 3589,419(16) keV | 3589,419(16) keV | 131(4) ns | | | 8+ |
| $^{91}Zr$ | 40 | 51 | 90,9056458(25) | Stable | Stable | Stable | 5/2+ |
| $^{91m}Zr$ | 3167,3(4) keV | 3167,3(4) keV | 3167,3(4) keV | 4,35(14) μs | | | (21/2+) |
| $^{92}Zr$ | 40 | 52 | 91,9050408(25) | Stable | Stable | Stable | 0+ |
| $^{93}Zr$ | 40 | 53 | 92,9064760(25) | $1,53(10)×10^6$ a | $β^−$ | $^{93}Nb$ | 5/2+ |
| $^{94}Zr$ | 40 | 54 | 93,9063152(26) | Observé stable | Observé stable | Observé stable | 0+ |
| $^{95}Zr$ | 40 | 55 | 94,9080426(26) | 64,032(6) j | $β^−$ | $^{95}Nb$ | 5/2+ |
| $^{96}Zr^,$ | 40 | 56 | 95,9082734(30) | $20(4)×10^{18}$ a | $β^−β^−$ | $^{96}Mo$ | 0+ |
| $^{97}Zr$ | 40 | 57 | 96,9109531(30) | 16,744(11) h | $β^−$ | $^{97m}Nb$ | 1/2+ |
| $^{98}Zr$ | 40 | 58 | 97,912735(21) | 30,7(4) s | $β^−$ | $^{98}Nb$ | 0+ |
| $^{99}Zr$ | 40 | 59 | 98,916512(22) | 2,1(1) s | $β^−$ | $^{99m}Nb$ | 1/2+ |
| $^{100}Zr$ | 40 | 60 | 99,91776(4) | 7,1(4) s | $β^−$ | $^{100}Nb$ | 0+ |
| $^{101}Zr$ | 40 | 61 | 100,92114(3) | 2,3(1) s | $β^−$ | $^{101}Nb$ | 3/2+ |
| $^{102}Zr$ | 40 | 62 | 101,92298(5) | 2,9(2) s | $β^−$ | $^{102}Nb$ | 0+ |
| $^{103}Zr$ | 40 | 63 | 102,92660(12) | 1,3(1) s | $β^−$ | $^{103}Nb$ | (5/2-) |
| $^{104}Zr$ | 40 | 64 | 103,92878(43)# | 1,2(3) s | $β^−$ | $^{104}Nb$ | 0+ |
| $^{105}Zr$ | 40 | 65 | 104,93305(43)# | 0,6(1) s | $β^−$ (>99,9 %) | $^{105}Nb$ | |
| $^{105}Zr$ | 40 | 65 | 104,93305(43)# | 0,6(1) s | $β^−,$ n (<0,1 %) | $^{104}Nb$ | |
| $^{106}Zr$ | 40 | 66 | 105,93591(54)# | 200# ms [>300 ns] | $β^−$ | $^{106}Nb$ | 0+ |
| $^{107}Zr$ | 40 | 67 | 106,94075(32)# | 150# ms [>300 ns] | $β^−$ | $^{107}Nb$ | |
| $^{108}Zr$ | 40 | 68 | 107,94396(64)# | 80# ms [>300 ns] | $β^−$ | $^{108}Nb$ | 0+ |
| $^{109}Zr$ | 40 | 69 | 108,94924(54)# | 60# ms [>300 ns] | | | |
| $^{110}Zr$ | 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.
* 1 2 3 4 5 6 Produit de fission.
* ↑ Théoriquement, le nucléide stable le plus lourd.
* ↑ Produit de fission à vie longue.
* ↑ Soupçonné de se désintégrer par $β^−β^−$ en $^{94}Mo$ avec une demi-vie supérieure à 4 $1,1×10^{17}$ années.
* ↑ radionucléide primordial.
* ↑ Théoriquement capable de subir une désintégration $β^−$ en $^{96}Nb.$

### 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.
