Ізотопи заліза

Природне залізо (₂₆Fe) складається з чотирьох стабільних ізотопів: 5,845 % ⁵⁴Fe (можливо радіоактивного з періодом напіврозпаду більше 4.4 років),^[1] 91,754 % ⁵⁶Fe, 2,119 % ⁵⁷Fe і 0,286 %⁵⁸ Fe. Відомо 24 радіоактивні ізотопи, найбільш стабільні з яких ⁶⁰Fe (період напіврозпаду 2,6 мільйонів років) і ⁵⁵Fe (період напіврозпаду 2,7 року).

Велика частина минулої роботи з вимірювання ізотопного складу Fe була зосереджена на визначенні варіацій ⁶⁰Fe внаслідок процесів, що супроводжують нуклеосинтез (тобто дослідження метеоритів) і утворення руди. Однак за останнє десятиліття прогрес у технології мас-спектрометрії дозволив виявляти та кількісно визначати найменші, природні коливання у співвідношеннях стабільних ізотопів^[en] заліза. Значна частина цієї роботи була проведена спільнотами, що займаються вивченням Землі та планет, хоча починають з'являтися застосування до біологічних і промислових систем.^[2]

Список ізотопів

Символ ізотопу	Z(p)	N(n)	Маса ізотопу (u)	Період напіврозпаду	Типи розпаду^{[n 1]}	Дочірні ізотопи^{[n 2]}	Спін і парність ядра^{[n 3]}	Поширеність ізотопу в природі (мольна частка)	Діапазон розподілу в природі (мольна частка)
⁴⁵Fe	26	19	45.01458(24)#	1.89(49) мс	β⁺ (30 %)	45Mn	3/2+#
⁴⁵Fe	26	19	45.01458(24)#	1.89(49) мс	2p (70 %)	43Cr	3/2+#
⁴⁶Fe	26	20	46.00081(38)#	9(4) мс [12(+4-3) мс]	β⁺ (>99.9 %)	46Mn	0+
⁴⁶Fe	26	20	46.00081(38)#	9(4) мс [12(+4-3) мс]	β⁺, p (<.1 %)	45Cr	0+
⁴⁷Fe	26	21	46.99289(28)#	21.8(7) мс	β⁺ (>99.9 %)	47Mn	7/2−#
⁴⁷Fe	26	21	46.99289(28)#	21.8(7) мс	β⁺, p (<.1 %)	46Cr	7/2−#
⁴⁸Fe	26	22	47.98050(8)#	44(7) мс	β⁺ (96.41 %)	48Mn	0+
⁴⁸Fe	26	22	47.98050(8)#	44(7) мс	β⁺, p (3.59 %)	47Cr	0+
⁴⁹Fe	26	23	48.97361(16)#	70(3) мс	β⁺, p (52 %)	48Cr	(7/2−)
⁴⁹Fe	26	23	48.97361(16)#	70(3) мс	β⁺ (48 %)	49Mn	(7/2−)
⁵⁰Fe	26	24	49.96299(6)	155(11) мс	β⁺ (>99.9 %)	50Mn	0+
⁵⁰Fe	26	24	49.96299(6)	155(11) мс	β⁺, p (<.1 %)	49Cr	0+
⁵¹Fe	26	25	50.956820(16)	305(5) мс	β⁺	51Mn	5/2−
⁵²Fe	26	26	51.948114(7)	8.275(8) г	β⁺	53mMn	0+
^52mFe	6.81(13) МеВ			45.9(6) с	β⁺	52Mn	(12+)#
⁵³Fe	26	27	52.9453079(19)	8.51(2) хв	β⁺	53Mn	7/2−
^53mFe	3040.4(3) кеВ			2.526(24) хв	ізомерний перехід	⁵³Fe	19/2−
⁵⁴Fe	26	28	53.9396090(5)	Спостережно стабільний ізотоп^[en]^[3]			0+	0.05845(35)	0.05837–0.05861
^54mFe	6526.9(6) кеВ			364(7) нс			10+
⁵⁵Fe	26	29	54.9382934(7)	2.737(11) років	ЕЗ	55Mn	3/2−
⁵⁶Fe^{[n 4]}	26	30	55.9349363(5)	Стабільний			0+	0.91754(36)	0.91742–0.91760
⁵⁷Fe	26	31	56.9353928(5)	Стабільний			1/2−	0.02119(10)	0.02116–0.02121
⁵⁸Fe	26	32	57.9332744(5)	Стабільний			0+	0.00282(4)	0.00281–0.00282
⁵⁹Fe	26	33	58.9348755(8)	44.495(9) днів	β⁻	59Co	3/2−
⁶⁰Fe	26	34	59.934072(4)	2.6×10⁶ років	β⁻	60Co	0+	сліди^[en]
⁶¹Fe	26	35	60.936745(21)	5.98(6) хв	β⁻	61Co	3/2−,5/2−
^61mFe	861(3) кеВ			250(10) нс			9/2+#
⁶²Fe	26	36	61.936767(16)	68(2) с	β⁻	62Co	0+
⁶³Fe	26	37	62.94037(18)	6.1(6) с	β⁻	63Co	(5/2)−
⁶⁴Fe	26	38	63.9412(3)	2.0(2) с	β⁻	64Co	0+
⁶⁵Fe	26	39	64.94538(26)	1.3(3) с	β⁻	65Co	1/2−#
^65mFe	364(3) кеВ			430(130) нс			(5/2−)
⁶⁶Fe	26	40	65.94678(32)	440(40) мс	β⁻ (>99.9 %)	66Co	0+
⁶⁶Fe	26	40	65.94678(32)	440(40) мс	β⁻, n (<.1 %)	⁶⁵Co	0+
⁶⁷Fe	26	41	66.95095(45)	394(9) мс	β⁻ (>99.9 %)	67Co	1/2−#
⁶⁷Fe	26	41	66.95095(45)	394(9) мс	β⁻, n (<.1 %)	⁶⁶Co	1/2−#
^67mFe	367(3) кеВ			64(17) μs			(5/2−)
⁶⁸Fe	26	42	67.95370(75)	187(6) мс	β⁻ (>99.9 %)	68Co	0+
⁶⁸Fe	26	42	67.95370(75)	187(6) мс	β⁻, n	⁶⁷Co	0+
⁶⁹Fe	26	43	68.95878(54)#	109(9) мс	β⁻ (>99.9 %)	69Co	1/2−#
⁶⁹Fe	26	43	68.95878(54)#	109(9) мс	β⁻, n (<.1 %)	⁶⁸Co	1/2−#
⁷⁰Fe	26	44	69.96146(64)#	94(17) мс			0+
⁷¹Fe	26	45	70.96672(86)#	30# мс [>300 нс]			7/2+#
⁷²Fe	26	46	71.96962(86)#	10# мс [>300 нс]			0+

↑ Скорочення:
ЕЗ: електронне захоплення
↑ Жирним для стабільних ізотопів
↑ Спіни зі слабким оцінковим обґрунтуванням взяті в дужки.
↑ Найменша маса на нуклон для всіх нуклідів. Кінцевий продукт нуклеосинтезу в зорях

Атомні маси стабільних нуклідів (⁵⁴Fe, ⁵⁶Fe, ⁵⁷Fe та ⁵⁸Fe) наведено за допомогою оцінки атомної маси AME2012. Помилки одного стандартного відхилення наведено в дужках після відповідних останніх цифр.^[4]

Залізо-54

⁵⁴Fe — спостережно стабільний ізотоп, але теоретично може розпадатися до ⁵⁴Cr(інші мови) з періодом напіврозпаду понад 4.4×10²⁰ років через подвійне захоплення електронів.^[1]

Залізо-56

Докладніше: Залізо-56

⁵⁶Fe є найпоширенішим ізотопом заліза. Він також є ізотопом з найменшою масою на нуклон, 930.412 МеВ/c², хоча не є ізотопом із найвищою енергією ядерного зв'язку на нуклон, яким є нікель-62.^[5] Однак через деталі процесу нуклеосинтезу, ⁵⁶Fe є більш поширеною кінцевою точкою ланцюгів термоядерного синтезу всередині наднових, де він здебільшого утворюється як ⁵⁶Ni. Таким чином, ⁵⁶Ni більш поширений у Всесвіті порівняно з іншими металами, включаючи ⁶²Ni, ⁵⁸Fe та ⁶⁰Ni, які мають дуже високу енергію зв'язку.

Висока енергія ядерного зв'язку для ⁵⁶Fe представляє точку, де подальші ядерні реакції стають енергетично невигідними. Через це він є одним з найважчих елементів, що утворюються в реакціях зоряного нуклеосинтезу в масивних зорях. У цих реакціях зливаються легші елементи, такі як магній, кремній і сірка, з утворенням важчих елементів. Серед утворених більш важких елементів є ⁵⁶Ni, який згодом розпадається до ⁵⁶Co(інші мови), а потім до ⁵⁶Fe.

Залізо-57

⁵⁷Fe широко використовується в мессбауерівській спектроскопії та пов'язаній ядерно-резонансній коливальній спектроскопії(інші мови) завдяки низькій природній варіації енергії ядерного переходу 14,4 кеВ.^[6] Відомо, що цей перехід був використаний для першого остаточного вимірювання гравітаційного червоного зміщення в експерименті Паунда-Ребки 1960 року.^[7]

Залізо-58

Залізо-58 можна використовувати для боротьби з анемією та низькою абсорбцією заліза, для метаболічного відстеження людських генів, що контролюють залізо, а також для відстеження мікроелементів у природі.^[8]^[9] Залізо-58 також є допоміжним реагентом у синтезі надважких елементів.^[9]

Залізо-60

Залізо-60 — ізотоп заліза з періодом напіврозпаду 2,6 мільйонів років^[10]^[11], але до 2009 року вважалося, що період напіврозпаду становить 1,5 мільйонів років. Воно піддається бета-розпаду до кобальту-60, який потім розпадається з періодом напіврозпаду приблизно 5 років до стабільного нікелю-60(інші мови). Сліди заліза-60 були знайдені в місячних зразках.

У фазах метеоритів Семаркона(інші мови) та Червоний Кут можна виявити кореляцію між концентрацією ⁶⁰Ni, дочірнього ізотопу(інші мови) ⁶⁰Fe, і великою кількістю стабільних ізотопів заліза, що свідчить про існування ⁶⁰Fe у час утворення Сонячної системи. Можливо, енергія, що виділяється при розпаді ⁶⁰Fe, разом з енергією, що виділяється при розпаді радіонукліда ²⁶Al, сприяла переплавленню та диференціації астероїдів після їх утворення 4.6 мільярдів років тому. Велика кількість ⁶⁰Ni, присутнього у позаземному матеріалі, також може дати глибше розуміння походження Сонячної системи та її ранньої історії.^{[джерело?]}

Залізо-60, виявлене в скам'янілих бактеріях у відкладеннях морського дна, свідчить про наявність наднової поблизу Сонячної системи приблизно 2 мільйонів років тому.^[12]^[13] Залізо-60 також знайдено у відкладеннях з 8 мільйонів років тому.^[14] У 2019 році дослідники знайшли міжзоряне ⁶⁰Fe в Антарктиді, яке вони відносять до Місцевої міжзоряної хмари.^[15]

Кобальт-60, продукт розпаду заліза-60, виділяє 1,173 МеВ і 1,333 МеВ під час розпаду. Ці гамма-лінії протягом тривалого часу були важливими цілями для гамма-астрономії, і були виявлені гамма-обсерваторією INTEGRAL. Сигнал простежує площину Галактики, показуючи, що синтез ⁶⁰Fe триває в нашій Галактиці, і досліджує утворення елементів у масивних зорях.^[16]^[17]

Примітки

↑ ^а ^б ^в Bikit, I.; Krmar, M.; Slivka, J.; Vesković, M.; Čonkić, Lj.; Aničin, I. (1998). New results on the double β decay of iron. Physical Review C. 58 (4): 2566—2567. Bibcode:1998PhRvC..58.2566B. doi:10.1103/PhysRevC.58.2566.
↑ N. Dauphas; O. Rouxel (2006). Mass spectrometry and natural variations of iron isotopes. Mass Spectrometry Reviews^[en]. 25 (4): 515—550. Bibcode:2006MSRv...25..515D. doi:10.1002/mas.20078. PMID 16463281.
↑ Вважається, що розпадається шляхом β⁺β⁺ до ⁵⁴Cr з періодом напіврозпаду більше 4.4×10²⁰ років^[1]
↑ Wang, M.; Audi, G.; Wapstra, A.H.; Kondev, F.G.; MacCormick, M.; Xu, X.; Pfeiffer, B. (2012). The Ame2012 atomic mass evaluation. Chinese Physics C. 36 (12): 1603—2014. Bibcode:2012ChPhC..36....3M. doi:10.1088/1674-1137/36/12/003.
↑ Fewell, M. P. (1995). The atomic nuclide with the highest mean binding energy. American Journal of Physics. 63 (7): 653. Bibcode:1995AmJPh..63..653F. doi:10.1119/1.17828.
↑ R. Nave. Mossbauer Effect in Iron-57. HyperPhysics(інші мови). Georgia State University. Процитовано 13 жовтня 2009.
↑ Pound, R. V.; Rebka Jr. G. A. (1 квітня 1960). Apparent weight of photons. Physical Review Letters. 4 (7): 337—341. Bibcode:1960PhRvL...4..337P. doi:10.1103/PhysRevLett.4.337.
↑ Iron-58 Metal Isotope. American Elements (англ.). Процитовано 28 червня 2023.
↑ ^а ^б Vasiliev, Petr. Iron-58, Iron-58 Isotope, Enriched Iron-58, Iron-58 Metal. www.buyisotope.com (англ.). Процитовано 28 червня 2023.
↑ Rugel, G.; Faestermann, T.; Knie, K.; Korschinek, G.; Poutivtsev, M.; Schumann, D.; Kivel, N.; Günther-Leopold, I.; Weinreich, R. (2009). New Measurement of the ⁶⁰Fe Half-Life. Physical Review Letters. 103 (7): 72502. Bibcode:2009PhRvL.103g2502R. doi:10.1103/PhysRevLett.103.072502. PMID 19792637.
↑ Eisen mit langem Atem. scienceticker. 27 August 2009. Архів оригіналу за 3 February 2018. Процитовано 22 May 2010.
↑ Belinda Smith (Aug 9, 2016). Ancient bacteria store signs of supernova smattering. Cosmos.
↑ Peter Ludwig та ін. (Aug 16, 2016). Time-resolved 2-million-year-old supernova activity discovered in Earth's microfossil record. PNAS. 113 (33): 9232—9237. arXiv:1710.09573. Bibcode:2016PNAS..113.9232L. doi:10.1073/pnas.1601040113. PMC 4995991. PMID 27503888.
↑ Colin Barras (Oct 14, 2017). Fires may have given our evolution a kick-start. New Scientist. 236 (3147): 7. Bibcode:2017NewSc.236....7B. doi:10.1016/S0262-4079(17)31997-8.
↑ Koll, Dominik; et., al. (2019). Interstellar ⁶⁰Fe in Antarctica. Physical Review Letters. 123 (7): 072701. Bibcode:2019PhRvL.123g2701K. doi:10.1103/PhysRevLett.123.072701. PMID 31491090. {{cite journal}}: |hdl-access= вимагає |hdl= (довідка)
↑ Harris, M. J.; Knödlseder, J.; Jean, P.; Cisana, E.; Diehl, R.; Lichti, G. G.; Roques, J. -P.; Schanne, S.; Weidenspointner, G. (1 квітня 2005). Detection of γ-ray lines from interstellar 60Fe by the high resolution spectrometer SPI. Astronomy and Astrophysics. 433 (3): L49—L52. arXiv:astro-ph/0502219. Bibcode:2005A&A...433L..49H. doi:10.1051/0004-6361:200500093. ISSN 0004-6361.
↑ Wang, W.; Siegert, T.; Dai, Z. G.; Diehl, R.; Greiner, J.; Heger, A.; Krause, M.; Lang, M.; Pleintinger, M. M. M. (1 лютого 2020). Gamma-Ray Emission of 60Fe and 26Al Radioactivity in Our Galaxy. The Astrophysical Journal. 889 (2): 169. arXiv:1912.07874. Bibcode:2020ApJ...889..169W. doi:10.3847/1538-4357/ab6336. ISSN 0004-637X.

Джерела

Маси ізотопів з:

Audi, G.; Bersillon, O.; Blachot, J.; Wapstra, A.H. (2003-12). The Nubase evaluation of nuclear and decay properties. Nuclear Physics A. Т. 729, № 1. с. 3—128. doi:10.1016/j.nuclphysa.2003.11.001. ISSN 0375-9474. Процитовано 30 травня 2024.

Ізотопний склад і стандартні атомні маси з:

Laeter, John R. de; Böhlke, John Karl; Bièvre, P. De; Hidaka, H.; Peiser, H. S.; Rosman, K. J. R.; Taylor, P. D. P. (1 січня 2003). Atomic weights of the elements. Review 2000 (IUPAC Technical Report). Pure and Applied Chemistry (нім.). Т. 75, № 6. с. 683—800. doi:10.1351/pac200375060683. ISSN 1365-3075. Процитовано 30 травня 2024.
Wieser, M. E. (1 січня 2006). Atomic weights of the elements 2005 (IUPAC Technical Report). Pure and Applied Chemistry (нім.). Т. 78, № 11. с. 2051—2066. doi:10.1351/pac200678112051. ISSN 1365-3075. Процитовано 30 травня 2024.

Період напіврозпаду, спін, дані про ізомерію з:

Audi, G.; Bersillon, O.; Blachot, J.; Wapstra, A.H. (2003-12). The Nubase evaluation of nuclear and decay properties. Nuclear Physics A. Т. 729, № 1. с. 3—128. doi:10.1016/j.nuclphysa.2003.11.001. ISSN 0375-9474. Процитовано 30 травня 2024.
National Nuclear Data Center. "NuDat 2.x database". Brookhaven National Laboratory. www.nndc.bnl.gov. National Nuclear Data Center^[en], Brookhaven National Laboratory. Процитовано 30 травня 2024.
Chemical Rubber Company (2004). Lide, David R. (ред.). CRC handbook of chemistry and physics: a ready-reference book of chemical and physical data (вид. 85. ed). Boca Raton: CRC Press. ISBN 978-0-8493-0485-9.