Le césium 137, noté Cs, est l'un des 40 isotopes du césium connus, élément qui a le plus grand nombre d'isotopes après le francium. Son nombre de masse est égal à 137, son noyau atomique ayant et , avec un dans son état fondamental, pour une masse atomique de . Sa période est de . Il est caractérisé par un excès de masse de et une énergie de liaison nucléaire par nucléon de .
Il a été découvert par Glenn T. Seaborg et Margaret Melhase..
Origine
C’est l'un des nombreux produits de fission de l'uranium et sans doute le plus connu pour avoir été utilisé dans les études hydrologiques et écologiques à la suite d'une contamination générale de l'atmosphère induite, à partir de 1945, par l'utilisation des bombes atomiques et des essais nucléaires (puis l'accident de Tchernobyl), et, dans une moindre mesure, à cause des rejets de centrales nucléaires ou de sites de retraitement, d'entreposage nucléaire (provisoire) ou de stockage durable des déchets radioactifs, etc.
Son suivi a par exemple permis de mesurer à quelle vitesse l'eau des nappes se renouvelait, la cinétique environnementale du césium (notamment dans la chaîne alimentaire) ou si une grotte était isolée du monde extérieur ou non.
Apparence
Quand il est pur, il se présente comme un métal alcalin argent-doré. Son point de fusion est assez proche de la température ambiante (CNTP) pour qu'il soit possible de l'obtenir à l'état liquide à cette température grâce à la surfusion (comme pour le gallium et rubidium)
Radioactivité
Un gramme de césium 137 pur présente une radioactivité de . Le césium 137 se désintègre en , métastable (de courte durée produit de la dégradation), puis en stable non radioactif.
Dans l'environnement, on le trouve rarement seul. Les déchets radioactifs, ou les retombées d'essais nucléaires atmosphériques ou de la catastrophe de Tchernobyl ainsi que de celui de la centrale nucléaire de Fukushima Daiichi peuvent également contenir du (à très longue période radioactive) et du (période de 2 ans). Les isotopes 134 et 137 sont initialement présents à parité dans les produits de fission libérés à ces occasionsIRSN - Fukushima, un an après - Premières analyses de l’accident et de ses conséquences, page 48 les rejets de césiums radioactifs […] sont majoritairement constitués de césium 137 et de césium 134, à parts égales, mais la décroissance plus rapide du fait que le (demi-vie de 30 ans) représente rapidement l'essentiel des formes du césium présentes.
Désintégration vignette|Schéma de désintégration du césium 137. Dans 94,6 % des cas, il donne l’isomère Ba du baryum 137 par avec une énergie de désintégration de et une période radioactive de , lequel retombe à son état fondamental par transition isomérique émettant un rayonnement de avec une période de : .
Dans les 5,4 % des cas restants, il se désintègre directement en Ba avec une énergie de désintégration de .
Le rayonnement émis par le Ba peut être utilisé à des fins médicales ou industrielles, par exemple pour l’irradiation des aliments, mais le n’est en fait que très peu utilisé en raison de son instabilité chimique bien plus grande que celle du , isotope bien meilleur pour ce type d’applications car chimiquement plus simple à contrôler et émettant un rayonnement plus puissant. On le trouve dans certains appareils de mesure de densité ou d’humidité, des débitmètres et divers détecteurs. En revanche il est très utilisé pour la datation de vins élaborés après 1952, le rayonnement émis permettant d'effectuer des mesures sans avoir à ouvrir la bouteille...
Le césium 137 est facilement mesuré dans l'environnement par spectrométrie gamma à partir de la raie d'émission gamma de son fils le Ba
Sources de contamination, normes alimentaires en situation normale ou de crise nucléaire
C’est un produit de fission de l’uranium et, comme tel, des quantités plus ou moins importantes de cet isotope ont été relâchées dans l’atmosphère d'abord dans les années 1940 et 1950 lors des essais nucléaires à l’air libre, puis lors d’accidents nucléaires (Voir la Liste des accidents nucléaires). Les dernières contaminations générales ou importantes de la biosphère ont été induites par la catastrophe de Tchernobyl, le , qui reste aujourd’hui la principale contamination radioactive de la zone interdite et de certaines zones contaminées par le passage du nuage, puis par la catastrophe de Fukushima. La contamination des organismes végétaux, fongiques, animaux et humains se fait via l'eau, l'air et le sol, et chez l'homme via l'alimentation (nourriture, boisson), la respiration ou le contact avec des produits contaminés. Le gibier, les baies sauvages, les champignons sauvages, les produits laitiers et certaines épices, condiments ou plante médicinales sont aussi des sources possiblesCastro J. Sancho A, Veiga E, Doas Yubero J & Murias B (1989) Transfert de Cs-134 et Cs-137 dans les infusions d'herboristerie. In Radioactivity Transfer during Food Processing and Culinary Preparation (Proc. Seminar Cadarache), CEC, Luxembourg (pp. 205-218)Pourcelot L, Renaud P, Louvat D, Gurriaran R & Richon P (2003) http://www.jle.com/e-docs/00/03/FB/1F/article.phtml Influence des points de concentration en césium‐137 sur la contamination d'une chaîne alimentaire de type alpin et estimation des doses associées] Environnement, Risques & Santé, 2(2), 112-120 (http://www.jle.com/e-docs/00/03/FB/1F/article.phtml résumé]).
Normes : elles ont varié selon les pays, les époques et les produits (plus sévères pour le lait que la viande, car le lait est davantage consommé par les enfants, qui sont plus vulnérables au césium 134 ou 137). À titre d'exemple, pour la viande : 600 Bq/kg est la norme européenne actuellement en vigueurSelon l'IRSN, au Japon comme en Europe, les niveaux maximaux de césiums radioactifs admissibles dans les denrées alimentaires sont de 500 Bq.kg-1 pour les légumes, les céréales, la viande, les œufs et le poisson, et de 200 Bq.kg-1 pour le lait, les produits laitiers et les aliments liquides (Source : IRSN, Synthèse des informations disponibles sur la contamination radioactive de l’environnement terrestre japonais provoquée par l’accident de Fukushima Dai-ichi ; 27 septembre 2011, voir note page 8/11) à ne pas dépasser pour la venaison et la viande d'animaux d'élevage ; 500 Bq/kg est la norme pour le JaponVoir chapitre REPERE 1 : les normes de contamination des aliments en vigueur au JAPON, in Japon : chronique d’une contamination annoncée, CRIIRAD, Comm. Dimanche 20 mars 2011, consulté 2011-10-08; Bq/kg est la norme, beaucoup plus laxiste, édictée en URSS à la suite de l'accident de TchernobylASN, Les normes de consommation et de commercialisation des produits alimentaires, page mise à jour le 10 décembre 2009, consultée 2011-19-08 avant d'être redescendue à 740 Bq/kg en Russie en 1990; 592 Bq/kg est la norme actuelle pour les pommes de terre et la viande en Biélorussie, décidée par le gouvernement, une fois la république devenue indépendante.
Cinétique dans l'organisme humain
À long terme, la contamination se fait surtout par ingestion et absorption gastro-intestinale, mais en cas d'inhalation il y a aussi un passage direct dans le sang.
Le césium est ensuite transporté par le sang et se distribue de la même manière que son analogue chimique, le potassium, principalement dans les muscles. Le césium est absorbé par les cellules animales et végétales en compétition avec le potassium, mais le césium n'a pas de fonction bénéfique connue; cependant, à des concentrations élevées, il peut entraîner une toxicité chez les plantes considérées comme des inhibiteurs de croissance. En effet, au cours de leur évolution, les mammifères ont commencé à distinguer le césium non radioactif inutile du potassium, qui est essentiel dans la pompe Na + / K + des membranes cellulaires animales. Ceci est clairement visible dans la faible absorption et sélectivité du césium dans le foie et les fœtus dans les autoradiographies de Nelson. Le corps humain excrète le césium par le rein (86%) et l'intestin (14%) via les glandes salivaires et le pancréas exocrine qui sont de puissants accumulateurs de césium. Ils le filtrent et l'éliminent avec de la salive et du suc pancréatique dans l'intestin. Selon Venturi (2020), le pancréas est plus sujet au cancer. En effet, le "bleu de Prusse" (ferrocyanure ferrique) dans l'intestin est capable de chélater le césium absorbé, empêchant sa réabsorption, et de l'éliminer dans les fèces.
Toxicité et écotoxicité
Le césium 137 présente une toxicité chimique considérée comme très faible par l'IRSN.
En tant que radioélémentM.J. Martin, P.H. Blichert-toft (1970), Radioactive atoms: Auger-Electron, α-, β, γ-, and X-Ray Data ; Atomic Data and Nuclear Data Tables, Volume 8, Issues 1–2, octobre 1970 (résumé), le est par contre radiotoxique et écotoxique, essentiellement en raison de ses propriétés radiologiquesP. Lestaevel, R. Racine, H. Bensoussan, C. Rouas, Y. Gueguen, I. Dublineau, J.-M. Bertho, P. Gourmelon, J.-R. Jourdain and M. Souidi (2010) Mise au point : Césium 137 : propriétés et effets biologiques après contamination interne Caesium 137: Properties and biological effects resulting of an internal contamination] ; Médecine Nucléaire Volume 34, Issue 2, February 2010, Pages 108-118 doi:10.1016/j.mednuc.2009.12.003 (résumé/abstract).
Chez les bovins comme chez l'Homme, on a constaté qu'il est très faiblement présent dans la graisse et les os, alors que chez le poisson, l'accumulation dans les os peut représenter jusqu'à 10 à 20 % du total.
Toxicité externe
La toxicité radiative externe du est liée à l'exposition à son rayonnement ionisant. Ce risque est relativement faible, car le rayonnement bêta externe est absorbé par une couche d'air d'un ou deux mètres d’épaisseur, ou est en partie bloqué par l'épaisseur des vêtements, de l'épiderme et du derme.
L'effet toxique externe requiert donc une exposition élevée, or le césium 137 présent dans l'atmosphère est négligeable face a d'autre radioéléments comme le radon 222, le débit de dose globale en France est de 100nSv/h..
Un cas particulier est la « toxicité de contact » (contact direct plus ou moins long avec la peau), qui se manifeste alors par des brûlures. Ce cas concerne surtout des expositions accidentelles (le cas de Goiânia au Brésil, par exemple).
Toxicité interne et effets biologiques
. Le degré d'exposition de diverses populations est également mal connu. Il a fait l'objet d'études avec des évaluations de la capacité de divers milieux (prairies, champsLionel Mabit, Claude Bernard (1998), Relationship between soil 137Cs inventories and chemical properties in a small intensively cropped watershed; Comptes Rendus de l'Académie des Sciences - Series IIA - Earth and Planetary Science, Volume 327, Issue 8, octobre 1998, Pages 527-532 (résumé)) et de divers aliments végétaux et animaux ou fongiques à bioassimiler et éventuellement bioconcentrer ce radioélément (ex : tomatesMyttenaere, P. Guillot, J.M. Mousny (1974)Radiocesium retention in tomato plants (Lycopersicum esculentum) as a function of the stable cesium and radioactive 137Cs concentrations of the nutrient solutions ; Radiation Botany, Volume 14, Issue 1, April 1974, Pages 29-36 C. (résumé)).
La radiotoxicité du césium 137 est principalement liée à l'exposition interne de certains organes et de l'organisme, quand et parce que le rayonnement bêta du césium 137 est exprimé à l'intérieur de l'organisme, voire dans certaines cellules. Ce type de toxicité apparait quand il y a eu inhalation ou ingestion de (par des aliments ou la boisson).