Изотопы железа
| ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Стандартный атомный вес А р °(Fe) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Природное железо ( 26 Fe) состоит из четырех стабильных изотопов : 5,845% 54 Fe (возможно, радиоактивный с периодом полураспада более 4,4 × 10 20 годы), [4] 91,754% 56 Fe, 2,119% 57 Fe и 0,286% 58 Фе. Известно 24 радиоактивных изотопа, 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 60 Изменения Fe обусловлены процессами, сопровождающими нуклеосинтез (т.е. исследования метеоритов ) и рудообразование. Однако за последнее десятилетие достижения в технологии масс-спектрометрии позволили обнаружить и количественно оценить мельчайшие, естественные изменения в соотношениях стабильных изотопов железа. Большая часть этой работы была проведена сообществами ученых, изучающих Землю и планеты , хотя начинают появляться приложения к биологическим и промышленным системам. [5]
Список изотопов
[ редактировать ]Нуклид [n 1] | С | Н | Изотопная масса ( Да ) [n 2] [n 3] | Период полураспада [n 4] | Разлагаться режим [n 5] | Дочь изотоп [№ 6] | Спин и паритет [n 7] [n 4] | Природное изобилие (молярная доля) | |||||||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
Энергия возбуждения | Нормальная пропорция | Диапазон вариаций | |||||||||||||||||
45 Фе | 26 | 19 | 45.01458(24)# | 1,89(49) мс | б + (30%) | 45 Мин. | 3/2+# | ||||||||||||
2 р (70%) | 43 Кр | ||||||||||||||||||
46 Фе | 26 | 20 | 46.00081(38)# | 9(4) мс [12(+4-3) мс] | б + (>99,9%) | 46 Мин. | 0+ | ||||||||||||
б + , р (<.1%) | 45 Кр | ||||||||||||||||||
47 Фе | 26 | 21 | 46.99289(28)# | 21,8(7) мс | б + (>99,9%) | 47 Мин. | 7/2−# | ||||||||||||
б + , р (<.1%) | 46 Кр | ||||||||||||||||||
48 Фе | 26 | 22 | 47.98050(8)# | 44(7) мс | б + (96.41%) | 48 Мин. | 0+ | ||||||||||||
б + , р (3,59%) | 47 Кр | ||||||||||||||||||
49 Фе | 26 | 23 | 48.97361(16)# | 70(3) мс | б + , р (52%) | 48 Кр | (7/2−) | ||||||||||||
б + (48%) | 49 Мин. | ||||||||||||||||||
50 Фе | 26 | 24 | 49.96299(6) | 155(11) мс | б + (>99,9%) | 50 Мин. | 0+ | ||||||||||||
б + , р (<.1%) | 49 Кр | ||||||||||||||||||
51 Фе | 26 | 25 | 50.956820(16) | 305(5) мс | б + | 51 Мин. | 5/2− | ||||||||||||
52 Фе | 26 | 26 | 51.948114(7) | 8,275(8) ч | б + | 52 м Мин. | 0+ | ||||||||||||
52 м Фе | 6,81(13) МэВ | 45,9(6) с | б + | 52 Мин. | (12+)# | ||||||||||||||
53 Фе | 26 | 27 | 52.9453079(19) | 8,51(2) мин. | б + | 53 Мин. | 7/2− | ||||||||||||
53 м Фе | 3040,4(3) кэВ | 2,526(24) мин. | ЭТО | 53 Фе | 19/2− | ||||||||||||||
54 Фе | 26 | 28 | 53.9396090(5) | Наблюдательно стабильный [№ 8] | 0+ | 0.05845(35) | 0.05837–0.05861 | ||||||||||||
54 м Фе | 6526,9(6) кэВ | 364(7) нс | 10+ | ||||||||||||||||
55 Фе | 26 | 29 | 54.9382934(7) | 2,737(11) и | ЕС | 55 Мин. | 3/2− | ||||||||||||
56 Фе [n 9] | 26 | 30 | 55.9349363(5) | Стабильный | 0+ | 0.91754(36) | 0.91742–0.91760 | ||||||||||||
57 Фе | 26 | 31 | 56.9353928(5) | Стабильный | 1/2− | 0.02119(10) | 0.02116–0.02121 | ||||||||||||
58 Фе | 26 | 32 | 57.9332744(5) | Стабильный | 0+ | 0.00282(4) | 0.00281–0.00282 | ||||||||||||
59 Фе | 26 | 33 | 58.9348755(8) | 44.495(9) д | б − | 59 Ко | 3/2− | ||||||||||||
60 Фе | 26 | 34 | 59.934072(4) | 2.6×10 6 и | б − | 60 Ко | 0+ | след | |||||||||||
61 Фе | 26 | 35 | 60.936745(21) | 5,98(6) мин. | б − | 61 Ко | 3/2−,5/2− | ||||||||||||
61м Фе | 861(3) кэВ | 250(10) нс | 9/2+# | ||||||||||||||||
62 Фе | 26 | 36 | 61.936767(16) | 68(2) с | б − | 62 Ко | 0+ | ||||||||||||
63 Фе | 26 | 37 | 62.94037(18) | 6,1(6) с | б − | 63 Ко | (5/2)− | ||||||||||||
64 Фе | 26 | 38 | 63.9412(3) | 2,0(2) с | б − | 64 Ко | 0+ | ||||||||||||
65 Фе | 26 | 39 | 64.94538(26) | 1,3(3) с | б − | 65 Ко | 1/2−# | ||||||||||||
65 м Фе | 364(3) кэВ | 430(130) нс | (5/2−) | ||||||||||||||||
66 Фе | 26 | 40 | 65.94678(32) | 440(40) мс | б − (>99,9%) | 66 Ко | 0+ | ||||||||||||
б − , n (<.1%) | 65 Ко | ||||||||||||||||||
67 Фе | 26 | 41 | 66.95095(45) | 394(9) мс | б − (>99,9%) | 67 Ко | 1/2−# | ||||||||||||
б − , n (<.1%) | 66 Ко | ||||||||||||||||||
67 м Фе | 367(3) кэВ | 64(17) мкс | (5/2−) | ||||||||||||||||
68 Фе | 26 | 42 | 67.95370(75) | 187(6) мс | б − (>99,9%) | 68 Ко | 0+ | ||||||||||||
б − , н | 67 Ко | ||||||||||||||||||
69 Фе | 26 | 43 | 68.95878(54)# | 109(9) мс | б − (>99,9%) | 69 Ко | 1/2−# | ||||||||||||
б − , n (<.1%) | 68 Ко | ||||||||||||||||||
70 Фе | 26 | 44 | 69.96146(64)# | 94(17) мс | 0+ | ||||||||||||||
71 Фе | 26 | 45 | 70.96672(86)# | 30# мс [>300 нс] | 7/2+# | ||||||||||||||
72 Фе | 26 | 46 | 71.96962(86)# | 10# мс [>300 нс] | 0+ | ||||||||||||||
Этот заголовок и нижний колонтитул таблицы: |
- ^ м Fe – Возбужденный ядерный изомер .
- ^ ( ) – Неопределенность (1 σ ) указывается в краткой форме в скобках после соответствующих последних цифр.
- ^ # - Атомная масса, отмеченная #: значение и неопределенность получены не на основе чисто экспериментальных данных, но, по крайней мере, частично на основе трендов поверхности массы (TMS).
- ^ Перейти обратно: а б # – Значения, отмеченные #, получены не только на основе экспериментальных данных, но, по крайней мере, частично на основе трендов соседних нуклидов (TNN).
- ^ Режимы распада:
ЕС: Захват электрона ЭТО: Изомерный переход н: Нейтронная эмиссия п: Протонная эмиссия - ^ Жирный символ в виде дочернего продукта — дочерний продукт стабилен.
- ^ ( ) значение вращения — указывает на вращение со слабыми аргументами присваивания.
- ^ Считается, что распадается на β + б + к 54 Cr с периодом полураспада более 4,4×10. 20 а [4]
- ^ Самая низкая масса на нуклон среди всех нуклидов; Конечный продукт звездного нуклеосинтеза
- Атомные массы стабильных нуклидов ( 54 Фе, 56 Фе, 57 Фе и 58 Fe) даны на основе оценки атомной массы AME2012. Ошибки в одно стандартное отклонение указаны в скобках после соответствующих последних цифр. [6]
Железо-54
[ редактировать ]54 Fe наблюдательно стабилен, но теоретически может распадаться на 54 Cr, с периодом полураспада более 4,4 × 10. 20 лет за счет двойного захвата электрона ( εε ). [4]
Железо-56
[ редактировать ]56 Fe – самый распространенный изотоп железа. Это также изотоп с наименьшей массой на нуклон - 930,412 МэВ/с. 2 , хотя и не изотоп с самой высокой энергией связи ядра на нуклон, которым является никель-62 . [7] Однако из-за деталей того, как работает нуклеосинтез, 56 Fe — более распространенная конечная точка термоядерных цепей внутри сверхновых , где оно в основном производится в виде 56 Ни. Таким образом, 56 Ni более распространен во Вселенной по сравнению с другими металлами , в том числе 62 В, 58 Фе и 60 Ni, каждый из которых имеет 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 входит в число 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 более тяжелых элементов образовался 56 Ni , который впоследствии распадается до 56 Ко , а затем 56 Фе.
Железо-57
[ редактировать ]57 Fe широко используется в мессбауэровской спектроскопии и связанной с ней колебательной спектроскопии ядерного резонанса из-за низкого естественного изменения энергии ядерного перехода 14,4 кэВ. [8] Известно, что переход был использован для первого окончательного измерения гравитационного красного смещения в эксперименте Паунда-Ребки 1960 года . [9]
Железо-58
[ редактировать ]Железо-58 можно использовать для борьбы с анемией и низким усвоением железа, для метаболического отслеживания человеческих генов, контролирующих железо, а также для отслеживания микроэлементов в природе. [10] [11] Железо-58 также является вспомогательным реагентом в синтезе сверхтяжелых элементов. [11]
Железо-60
[ редактировать ]Железо-60 — изотоп железа с периодом полураспада 2,6 миллиона лет. [12] [13] но до 2009 года считалось, что 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 выявлена корреляция между концентрацией 60 Ni , изотоп внучатый 60 Fe и обилие стабильных изотопов железа, что свидетельствует о существовании 60 Fe во время формирования Солнечной системы. Возможно, энергия, выделяющаяся при распаде 60 Fe внес свой вклад вместе с энергией, выделяющейся при распаде радионуклида. 26 Ал , к переплавке и дифференциации астероидов . после их образования 4,6 миллиарда лет назад Обилие 60 Никель, присутствующий во внеземном материале, также может дать дальнейшее понимание происхождения 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 окрестностях Солнечной системы произошла сверхновая. [14] [15] Железо-60 также обнаружено в отложениях 8 миллионов лет назад. [16] В 2019 году исследователи обнаружили межзвездное 60 Fe в Антарктиде , которое они относят к Местному Межзвездному Облаку . [17]
Расстояние до возникшей сверхновой можно оценить, сопоставив количество железа-60, перехваченного при прохождении Земли через расширяющиеся выбросы сверхновой. Предполагая, что материал, выброшенный сверхновой, равномерно расширяется от своего источника в виде сферы с площадью поверхности 4πr. 2 . Доля материала, перехваченного Землей, зависит от площади ее поперечного сечения (πR 2 земля ), проходя сквозь расширяющиеся обломки. Где Mej – масса выброшенного материала. Предполагая, что перехваченный материал равномерно распределен по поверхности Земли (4πR 2 Земля ), массовая поверхностная плотность (Σ ej ) выбросов сверхновых на Земле равна: Количество 60 Атомы Fe на единицу площади, обнаруженные на Земле, можно оценить, если типичное количество 60 Известно Fe, выброшенное из сверхновой. Это можно сделать, разделив поверхностную массовую плотность (Σ ej ) на атомную массу 60 Фе. Уравнение для N 60 можно переставить, чтобы найти расстояние до сверхновой. Пример расчета расстояния до точки зарождения сверхновой приведен ниже. В этом расчете используются спекулятивные значения для наземных объектов. 60 Поверхностная плотность атомов Fe (N 60 ≈ 4 × 10 11 атомы 2 /м) и приблизительную оценку массы 60 Fe выброшено при взрыве сверхновой (10 -5 M ☉ ). Сообщалось о более сложных анализах, которые учитывают поток и отложение 60 Fe, а также возможные источники мешающего фона. [18]
Кобальт-60, продукт распада железа-60, при распаде излучает 1,173 МэВ и 1,333 МэВ. Эти гамма-линии долгое время были важными объектами гамма-астрономии и были обнаружены гамма-обсерваторией INTEGRAL . Сигнал прослеживает плоскость Галактики , показывая, что 60 Синтез железа продолжается в нашей Галактике и исследуется производство элементов в массивных звездах. [19] [20]
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Кондев, ФГ; Ван, М.; Хуанг, WJ; Наими, С.; Ауди, Г. (2021). «Оценка ядерных свойств NUBASE2020» (PDF) . Китайская физика C . 45 (3): 030001. doi : 10.1088/1674-1137/abddae .
- ^ «Стандартные атомные массы: железо» . ЦИАВ . 1993.
- ^ Прохаска, Томас; Ирргехер, Йоханна; Бенефилд, Жаклин; Бёлке, Джон К.; Чессон, Лесли А.; Коплен, Тайлер Б.; Дин, Типинг; Данн, Филип Дж. Х.; Грёнинг, Манфред; Холден, Норман Э.; Мейер, Харро Эй Джей (04 мая 2022 г.). «Стандартные атомные веса элементов 2021 (Технический отчет ИЮПАК)» . Чистая и прикладная химия . дои : 10.1515/pac-2019-0603 . ISSN 1365-3075 .
- ^ Перейти обратно: а б с Бикит, И.; Крмар, М.; Сливка, Дж.; Вескович, М.; Чонкич, Лж.; Аничин И. (1998). «Новые результаты по двойному β-распаду железа». Физический обзор C . 58 (4): 2566–2567. Бибкод : 1998PhRvC..58.2566B . дои : 10.1103/PhysRevC.58.2566 .
- ^ Н. Дауфас; О. Руксель (2006). «Масс-спектрометрия и естественные вариации изотопов железа». Обзоры масс-спектрометрии . 25 (4): 515–550. Бибкод : 2006MSRv...25..515D . дои : 10.1002/mas.20078 . ПМИД 16463281 .
- ^ Ван, М.; Ауди, Г.; Вапстра, АХ; Кондев, ФГ; МакКормик, М.; Сюй, Х.; Пфайффер, Б. (2012). «Оценка атомной массы Ame2012». Китайская физика C . 36 (12): 1603–2014. Бибкод : 2012ЧФК..36....3М . дои : 10.1088/1674-1137/36/12/003 . hdl : 11858/00-001M-0000-0010-23E8-5 . S2CID 250839471 .
- ^ Фьюэлл, член парламента (1995). «Атомный нуклид с самой высокой средней энергией связи» . Американский журнал физики . 63 (7): 653. Бибкод : 1995AmJPh..63..653F . дои : 10.1119/1.17828 .
- ^ Р. Нейв. «Эффект Мессбауэра в железе-57» . Гиперфизика . Государственный университет Джорджии . Проверено 13 октября 2009 г.
- ^ Паунд, Р.В.; Ребка-младший Г.А. (1 апреля 1960 г.). «Кажущийся вес фотонов» . Письма о физических отзывах . 4 (7): 337–341. Бибкод : 1960PhRvL...4..337P . дои : 10.1103/PhysRevLett.4.337 .
- ^ «Изотоп металла железо-58» . Американские элементы . Проверено 28 июня 2023 г.
- ^ Перейти обратно: а б Васильев, Петр. «Железо-58, изотоп железа-58, обогащенное железо-58, металл железо-58» . www.buyisotope.com . Проверено 28 июня 2023 г.
- ^ Ругель, Г.; Фастерманн, Т.; Кни, К.; Корщинек, Г.; Путивцев М.; Шуман, Д.; Кивель, Н.; Гюнтер-Леопольд, И.; Вайнрайх, Р.; Вольмутер, М. (2009). «Новое измерение 60 Fe Half-Life» . Physical Review Letters . 103 (7): 72502. Bibcode : 2009PhRvL.103g2502R . doi : 10.1103/PhysRevLett.103.072502 . PMID 19792637 .
- ^ «Эйзен с долгом Атемом» . научный тикер . 27 августа 2009 г. Архивировано из оригинала 3 февраля 2018 г. . Проверено 22 мая 2010 г.
- ^ Белинда Смит (9 августа 2016 г.). «Древние бактерии хранят признаки рассеяния сверхновой» . Космос .
- ^ Питер Людвиг; и др. (16 августа 2016 г.). «Активность сверхновой возрастом 2 миллиона лет с разрешением во времени обнаружена в летописях микрокаменелостей Земли» . ПНАС . 113 (33): 9232–9237. arXiv : 1710.09573 . Бибкод : 2016PNAS..113.9232L . дои : 10.1073/pnas.1601040113 . ПМЦ 4995991 . ПМИД 27503888 .
- ^ Колин Баррас (14 октября 2017 г.). «Возможно, пожары дали толчок нашей эволюции» . Новый учёный . 236 (3147): 7. Бибкод : 2017NewSc.236....7B . дои : 10.1016/S0262-4079(17)31997-8 .
- ^ Колл, Доминик; и др. (2019). «Интерстеллар 60 Fe в Антарктиде». Письма о физическом обзоре . 123 (7): 072701. Бибкод : 2019PhRvL.123g2701K . doi : /PhysRevLett.123.072701 . hdl : 1885/298253 . PMID 31491090. 10.1103 S2CID 201868513 .
- ^ Эртель, Адриенн Ф.; Фрай, Брайан Дж.; Филдс, Брайан Д.; Эллис, Джон (20 апреля 2023 г.). «Эволюция пыли сверхновой, исследованная с помощью глубоководной временной истории 60Fe» . Астрофизический журнал . 947 (2): 58–83 – через Институт физики (IOP).
- ^ Харрис, MJ; Кнёдльседер, Дж.; Жан, П.; Цисана, Э.; Диль, Р.; Личти, Г.Г.; Рокес, Ж.-П.; Шанне, С.; Вайденспойнтнер, Г. (1 апреля 2005 г.). «Обнаружение линий γ-лучей межзвездного 60Fe спектрометром высокого разрешения SPI» . Астрономия и астрофизика . 433 (3): L49–L52. arXiv : astro-ph/0502219 . Бибкод : 2005A&A...433L..49H . дои : 10.1051/0004-6361:200500093 . ISSN 0004-6361 .
- ^ Ван, В.; Зигерт, Т.; Дай, З.Г.; Диль, Р.; Грейнер, Дж.; Хегер, А.; Краузе, М.; Ланг, М.; Плейнтингер, МММ; Чжан, XL (01 февраля 2020 г.). «Гамма-излучение радиоактивности 60Fe и 26Al в нашей Галактике» . Астрофизический журнал . 889 (2): 169. arXiv : 1912.07874 . Бибкод : 2020ApJ...889..169W . дои : 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, Бибкод : 2003NuPhA.729....3A , doi : 10.1016/j.nuclphysa.2003.11 .001
Изотопный состав и стандартные атомные массы из:
- де Лаэтер, Джон Роберт ; Бёлке, Джон Карл; Де Бьевр, Поль; Хидака, Хироши; Пейзер, Х. Штеффен; Росман, Кевин-младший; Тейлор, Филип Д.П. (2003). «Атомные веса элементов. Обзор 2000 г. (Технический отчет ИЮПАК)» . Чистая и прикладная химия . 75 (6): 683–800. дои : 10.1351/pac200375060683 .
- Визер, Майкл Э. (2006). «Атомные массы элементов 2005 (Технический отчет ИЮПАК)» . Чистая и прикладная химия . 78 (11): 2051–2066. дои : 10.1351/pac200678112051 .
- «Новости и уведомления: пересмотренные 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, Бибкод : 2003NuPhA.729....3A , doi : 10.1016/j.nuclphysa.2003.11 .001
- Национальный центр ядерных данных . «База данных NuDat 2.x» . Брукхейвенская национальная лаборатория .
- Холден, Норман Э. (2004). «11. Таблица изотопов». В Лиде, Дэвид Р. (ред.). Справочник CRC по химии и физике (85-е изд.). Бока-Ратон, Флорида : CRC Press . ISBN 978-0-8493-0485-9 .
Дальнейшее чтение
[ редактировать ]- Дж. М. Нильсен (1960). Радиохимия железа (PDF) . Национальная академия наук / Национальный исследовательский совет .