Изотопы железа

Природное железо ( _26Fe ) состоит из четырех стабильных изотопов : 5,845% ^54Fe (возможно, радиоактивного с периодом полураспада более4,4 × 10 ²⁰ лет), ^[4] 91,754% ⁵⁶ Fe, 2,119% ⁵⁷ Fe и 0,286% ⁵⁸ Fe. Известно 28 радиоактивных изотопов и 8 ядерных изомеров , наиболее стабильными из которых являются ⁶⁰ Fe (период полураспада 2,6 миллиона лет) и ⁵⁵ Fe (период полураспада 2,7 года).

Большая часть прошлых работ по измерению изотопного состава железа была сосредоточена на определении вариаций ⁶⁰ Fe из-за процессов, сопровождающих нуклеосинтез (т. е. исследования метеоритов ) и рудообразование. Однако в последнее десятилетие достижения в технологии масс-спектрометрии позволили обнаружить и количественно оценить мельчайшие, естественно возникающие вариации в соотношениях стабильных изотопов железа. Большая часть этой работы была инициирована сообществами науки о Земле и планетах , хотя приложения к биологическим и промышленным системам начинают появляться. ^[5]

Список изотопов

1. ^m Fe – Возбужденный ядерный изомер .
2. ( ) – Неопределенность (1 σ ) приводится в краткой форме в скобках после соответствующих последних цифр.
3. # – Атомная масса, отмеченная #: значение и неопределенность получены не из чисто экспериментальных данных, а, по крайней мере, частично из тенденций от поверхности массы (TMS).
4. # – Значения, отмеченные #, получены не только из экспериментальных данных, но, по крайней мере, частично из тенденций соседних нуклидов (TNN).
5. Способы распада:
6. Жирный символ как дочерний – Дочерний продукт стабилен.
7. ( ) значение спина – указывает спин со слабыми аргументами присваивания.
8. Считается, что распадается по реакции β ⁺ β ⁺ до ⁵⁴ Cr с периодом полураспада более 4,4×10 ²⁰ лет ^[4]
9. Самая низкая масса на нуклон среди всех нуклидов; Конечный продукт звездного нуклеосинтеза.

Железо-54

^54Fe является наблюдаемо стабильным, но теоретически может распадаться до ^54Cr с периодом полураспада более4,4 × 10 ²⁰ лет через двойной захват электронов ( εε ). ^[4]

Железо-56

^56Fe является наиболее распространенным изотопом железа. Это также изотоп с самой низкой массой на нуклон, 930,412 МэВ/c2 ^, хотя и не изотоп с самой высокой ядерной энергией связи на нуклон, который является никелем-62 . ^[7] Однако из-за особенностей того, как работает нуклеосинтез, ^56Fe является более распространенной конечной точкой цепочек синтеза внутри сверхновых , где он в основном производится как ^56Ni . Таким образом, ^56Ni более распространен во Вселенной по сравнению с другими металлами , включая ^62Ni , ^58Fe и ^60Ni , все из которых имеют очень высокую энергию связи.

Высокая энергия ядерной связи для ⁵⁶ Fe представляет собой точку, в которой дальнейшие ядерные реакции становятся энергетически невыгодными. Из-за этого он является одним из самых тяжелых элементов, образующихся в реакциях звездного нуклеосинтеза в массивных звездах. Эти реакции объединяют более легкие элементы, такие как магний, кремний и сера, с образованием более тяжелых элементов. Среди образующихся более тяжелых элементов находится ⁵⁶ Ni , который впоследствии распадается на ⁵⁶ Co , а затем на ⁵⁶ Fe.

Железо-57

⁵⁷ Fe широко используется в мёссбауэровской спектроскопии и связанной с ней ядерной резонансной колебательной спектроскопии из-за низкого естественного изменения энергии ядерного перехода 14,4 кэВ. ^[8] Переход был широко использован для проведения первого окончательного измерения гравитационного красного смещения в эксперименте Паунда-Ребки 1960 года . ^[9]

Железо-58

Железо-58 может использоваться для борьбы с анемией и низким усвоением железа, для метаболического отслеживания генов человека, контролирующих железо, и для отслеживания элементов в природе. ^{[10] [11]} Железо-58 также является вспомогательным реагентом в синтезе сверхтяжелых элементов. ^[11]

Железо-60

Железо-60 — изотоп железа с периодом полураспада 2,6 миллиона лет, ^{[12] [13],} но до 2009 года считалось, что его период полураспада составляет 1,5 миллиона лет. Он подвергается бета-распаду до кобальта-60 , который затем распадается с периодом полураспада около 5 лет до стабильного никеля-60. Следы железа-60 были обнаружены в лунных образцах.

В фазах метеоритов Семаркона и Червоный Кут можно было обнаружить корреляцию между концентрацией ⁶⁰ Ni , внучатого изотопа 60 ^Fe , и распространенностью стабильных изотопов железа, что является доказательством существования ⁶⁰ Fe во время формирования Солнечной системы. Возможно, энергия, выделяемая при распаде ⁶⁰ Fe, способствовала, вместе с энергией, выделяемой при распаде радионуклида ²⁶ Al , переплавке и дифференциации астероидов после их образования 4,6 миллиарда лет назад. Распространенность ^{60 Ni, присутствующая во внеземном материале} , может также дать дальнейшее представление о происхождении Солнечной системы и ее ранней истории.

Железо-60, обнаруженное в окаменелых бактериях в отложениях морского дна, позволяет предположить, что около 2 миллионов лет назад в районе Солнечной системы вспыхнула сверхновая. ^{[14] [15]} Железо-60 также обнаружено в отложениях возрастом 8 миллионов лет. ^[16] В 2019 году исследователи обнаружили межзвездный ^60Fe в Антарктиде , который они связали с Местным межзвездным облаком . ^[17]

Расстояние до сверхновой можно оценить, связав количество железа-60, перехваченного, когда Земля проходит через расширяющийся выброс сверхновой. Предполагая, что материал, выброшенный сверхновой, равномерно расширяется из своего источника в виде сферы с площадью поверхности 4πr ² . Доля материала, перехваченного Землей, зависит от ее площади поперечного сечения (πR ² _earth ) при прохождении через расширяющийся мусор. Где M _ej — масса выброшенного материала. Предполагая, что перехваченный материал равномерно распределен по поверхности Земли (4πR ² _earth ), массовая поверхностная плотность (Σ _ej ) выброса сверхновой на Земле равна: Количество атомов ⁶⁰ Fe на единицу площади, обнаруженных на Земле, можно оценить, если известно типичное количество ⁶⁰ Fe, выброшенного сверхновой. Это можно сделать, разделив поверхностную плотность массы (Σ _ej ) на атомную массу ⁶⁰ Fe. Уравнение для N ₆₀ можно перестроить, чтобы найти расстояние до сверхновой. Ниже приведен пример расчета расстояния до точки возникновения сверхновой. Этот расчет использует предположительные значения поверхностной плотности атомов ^{60 Fe на Земле (N} ₆₀ ≈ 4 × 10 ¹¹ атомов ² /м3) и грубую оценку массы ⁶⁰ Fe, выброшенного при взрыве сверхновой (10 ^-5 M _☉ ). Сообщалось о более сложных анализах, которые учитывают поток и осаждение ⁶⁰ Fe, а также возможные помехи фоновых источников. ^[18] $${\displaystyle M_{\text{Fraction intercepted }}={\frac {\pi R_{\text{Earth }}^{2}}{4\pi r^{2}}}M_{ej}}$$ $${\displaystyle \Sigma _{ej}={\frac {M_{\text{Fraction intercepted }}}{A_{\text{surface,Earth }}}}={\frac {M_{ej}}{16\pi r^{2}}}}$$ $${\displaystyle N_{60}=\left({\frac {M_{ej,60}/m_{60}}{16\pi r^{2}}}\right)}$$ $${\displaystyle r={\sqrt {\frac {M_{ej,60}}{16\pi m_{60}N_{60}}}}}$$ $${\displaystyle r={\sqrt {\frac {10^{-5}M_{\odot }}{16\pi \left(60m_{p}\right)N_{60}}}}}$$ $${\displaystyle r=3\times 10^{18}m=100pc}$$

Кобальт-60, продукт распада железа-60, испускает 1,173 МэВ и 1,333 МэВ при распаде. Эти гамма-линии долгое время были важными целями для гамма-астрономии и были обнаружены гамма-обсерваторией INTEGRAL . Сигнал отслеживает галактическую плоскость , показывая, что синтез ⁶⁰ Fe продолжается в нашей Галактике, и исследуя производство элементов в массивных звездах. ^{[19] [20]}

Ссылки

1. Kondev, FG; Wang, M.; Huang, WJ; Naimi, S.; Audi, G. (2021). "Оценка ядерных свойств NUBASE2020" (PDF) . Chinese Physics C. 45 ( 3): 030001. doi :10.1088/1674-1137/abddae.
2. "Стандартные атомные веса: железо". CIAAW . 1993.
3. Prohaska, Thomas; Irrgeher, Johanna; Benefield, Jacqueline; Böhlke, John K.; Chesson, Lesley A.; Coplen, Tyler B.; Ding, Tiping; Dunn, Philip JH; Gröning, Manfred; Holden, Norman E.; Meijer, Harro AJ (2022-05-04). "Стандартные атомные веса элементов 2021 (Технический отчет ИЮПАК)". Чистая и прикладная химия . doi :10.1515/pac-2019-0603. ISSN  1365-3075.
4. Bikit, I.; Krmar, M.; Slivka, J.; Vesković, M.; Čonkić, Lj.; Aničin, I. (1998). "Новые результаты по двойному β-распаду железа". Physical Review C. 58 ( 4): 2566–2567. Bibcode :1998PhRvC..58.2566B. doi :10.1103/PhysRevC.58.2566.
5. N. Dauphas; O. Rouxel (2006). "Масс-спектрометрия и естественные вариации изотопов железа". Mass Spectrometry Reviews . 25 (4): 515–550. Bibcode :2006MSRv...25..515D. doi :10.1002/mas.20078. PMID  16463281.
6. Ван, Мэн; Хуан, ВДж; Кондев, ФГ; Ауди, Г.; Наими, С. (2021). «Оценка атомной массы AME 2020 (II). Таблицы, графики и ссылки*». Chinese Physics C. 45 ( 3): 030003. doi :10.1088/1674-1137/abddaf.
7. Fewell, MP (1995). «Атомный нуклид с самой высокой средней энергией связи». American Journal of Physics . 63 (7): 653. Bibcode : 1995AmJPh..63..653F. doi : 10.1119/1.17828.
8. Р. Наве. "Эффект Мёссбауэра в железе-57". HyperPhysics . Университет штата Джорджия . Получено 13 октября 2009 г.
9. Pound, RV; Rebka Jr. GA (1 апреля 1960 г.). «Кажущаяся масса фотонов». Physical Review Letters . 4 (7): 337–341. Bibcode :1960PhRvL...4..337P. doi : 10.1103/PhysRevLett.4.337 .
10. "Изотоп металла железа-58". American Elements . Получено 28.06.2023 .
11. Васильев, Петр. "Железо-58, изотоп железа-58, обогащенное железо-58, металлическое железо-58". www.buyisotope.com . Получено 28.06.2023 .
12. Rugel, G.; Faestermann, T.; Knie, K.; Korschinek, G.; Poutivtsev, M.; Schumann, D.; Kivel, N.; Günther-Leopold, I.; Weinreich, R.; Wohlmuther, M. (2009). "Новое измерение периода полураспада 60Fe". Physical Review Letters . 103 (7): 72502. Bibcode : 2009PhRvL.103g2502R. doi : 10.1103/PhysRevLett.103.072502. PMID  19792637.
13. "Eisen mit langem Atem". scienceticker . 27 августа 2009 г. Архивировано из оригинала 3 февраля 2018 г. Получено 22 мая 2010 г.
14. Белинда Смит (9 августа 2016 г.). «Древние бактерии хранят следы вспышки сверхновой». Космос .
15. Питер Людвиг и др. (16 августа 2016 г.). «В микроископаемой летописи Земли обнаружена разрешенная по времени сверхновая активность возрастом 2 миллиона лет». PNAS . 113 (33): 9232–9237. arXiv : 1710.09573 . Bibcode :2016PNAS..113.9232L. doi : 10.1073/pnas.1601040113 . PMC 4995991 . PMID  27503888. 
16. Колин Баррас (14 октября 2017 г.). «Пожары, возможно, дали толчок нашей эволюции». New Scientist . 236 (3147): 7. Bibcode :2017NewSc.236....7B. doi :10.1016/S0262-4079(17)31997-8.
17. Колл, Доминик и др. (2019). «Межзвездный ⁶⁰ Fe в Антарктиде». Physical Review Letters . 123 (7): 072701. Bibcode : 2019PhRvL.123g2701K. doi : 10.1103/PhysRevLett.123.072701. hdl : 1885/298253 . PMID  31491090. S2CID  201868513.
18. Эртель, Адриенна Ф.; Фрай, Брайан Дж.; Филдс, Брайан Д.; Эллис, Джон (20 апреля 2023 г.). «Эволюция сверхновой пыли, исследованная с помощью глубоководного 60Fe временной истории». Астрофизический журнал . 947 (2): 58–83 – через Институт физики (IOP).
19. Harris, MJ; Knödlseder, J.; Jean, P.; Cisana, E.; Diehl, R.; Lichti, GG; Roques, J. -P.; Schanne, S.; Weidenspointner, G. (2005-04-01). "Обнаружение линий γ-излучения от межзвездного 60Fe спектрометром высокого разрешения 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.
20. Ван, В.; Зигерт, Т.; Дай, ЗГ; Диль, Р.; Грейнер, Дж.; Хегер, А.; Краузе, М.; Ланг, М.; Плейнтингер, МММ; Чжан, XL (2020-02-01). "Гамма-излучение радиоактивности 60Fe и 26Al в нашей Галактике". The Astrophysical Journal . 889 (2): 169. arXiv : 1912.07874 . Bibcode : 2020ApJ...889..169W. doi : 10.3847/1538-4357/ab6336 . ISSN  0004-637X.

Массы изотопов из:

• Ауди, Жорж; Берсильон, Оливье; Блашо, Жан; Вапстра, Аалдерт Хендрик (2003), «Оценка NUBASE свойств ядра и распада», Nuclear Physics A , 729 : 3–128, Bibcode : 2003NuPhA.729....3A, doi : 10.1016/j.nuclphysa.2003.11. 001

Изотопный состав и стандартные атомные массы из:

• de Laeter, John Robert ; Böhlke, John Karl; De Bièvre, Paul; Hidaka, Hiroshi; Peiser, H. Steffen; Rosman, Kevin JR; Taylor, Philip DP (2003). "Атомные веса элементов. Обзор 2000 г. (Технический отчет ИЮПАК)". Pure and Applied Chemistry . 75 (6): 683–800. doi : 10.1351/pac200375060683 .
• Визер, Майкл Э. (2006). «Атомные веса элементов 2005 (Технический отчет ИЮПАК)». Чистая и прикладная химия . 78 (11): 2051–2066. doi : 10.1351/pac200678112051 .
• «Новости и уведомления: пересмотрены стандартные атомные веса». Международный союз теоретической и прикладной химии . 19 октября 2005 г.

Данные о периоде полураспада, спине и изомерах выбраны из:

• Ауди, Жорж; Берсильон, Оливье; Блашо, Жан; Вапстра, Аалдерт Хендрик (2003), «Оценка NUBASE свойств ядра и распада», Nuclear Physics A , 729 : 3–128, Bibcode : 2003NuPhA.729....3A, doi : 10.1016/j.nuclphysa.2003.11. 001
• Национальный центр ядерных данных . "База данных NuDat 2.x". Брукхейвенская национальная лаборатория .
• Holden, Norman E. (2004). "11. Таблица изотопов". В Lide, David R. (ред.). CRC Handbook of Chemistry and Physics (85-е изд.). Boca Raton, Florida : CRC Press . ISBN 978-0-8493-0485-9.

Дальнейшее чтение

• JM Nielsen (1960). Радиохимия железа (PDF) . Национальная академия наук / Национальный исследовательский совет .