Изотопы железа

Изото́пы желе́за — разновидности химического элемента железа, имеющие разное количество нейтронов в ядре. Известны изотопы железа с массовыми числами от 45 до 72 (количество протонов в ядре железа всегда 26, нейтронов от 19 до 46) и 6 ядерных изомеров.

Природное железо представляет собой смесь четырёх стабильных изотопов:

⁵⁴Fe (изотопная распространённость 5,845 %);
⁵⁶Fe (изотопная распространённость 91,754 %);
⁵⁷Fe (изотопная распространённость 2,119 %);
⁵⁸Fe (изотопная распространённость 0,282 %).

Из искусственных изотопов железа наиболее устойчивые ⁶⁰Fe (период полураспада 2,62 миллиона лет^[1]), ⁵⁵Fe (2,737 года), ⁵⁹Fe (44,495 суток) и ⁵²Fe (8,275 часа); остальные изотопы имеют период полураспада менее 10 минут^[2].

Железо-55

См.также: Железо-55^[англ.]

Период полураспада 2,7 года, схема распада электронный захват (вероятность 100 %), при последующем перестроении электронной оболочки излучает характеристическое рентгеновское излучение 5,9 кэВ^[3]. Применяют в рентгеновских установках как автономный источник рентгеновского излучения. Получают облучением никеля-58 протонами в ускорителе:

{\ce {^{58}Ni ->[+p,\ -\alpha] ^{55}Co -> ^{55}Fe}}

.

Железо-56

Стабильный изотоп ⁵⁶Fe примечателен самой низкой атомной массой в пересчёте на нуклон. Это означает, что энергия связи нуклонов максимальна. Однако из-за небольшой разницы в массе протона и нейтрона самой высокой энергией связи нуклонов обладает никель-62^[англ.].

Железо-57

Стабильный изотоп железо-57 применяется в мёссбауэровской спектроскопии^[4].

В России получают методом центрифужного разделения изотопов с 1971 года^[5].

Железо-59

Радиоактивный изотоп железо-59 испытывает β⁻-распад в стабильный кобальт-59, излучая бета-частицы с максимальными энергиями 0,46 и 0,27 МэВ и гамма-кванты с энергиями 1,1 и 1,3 МэВ^[6]. Период полураспада 44,5 суток.

В медицине изотоп железо-59 применяется при ранней диагностике онкологических заболеваний молочной железы у женщин^[7]^[8]. В организме здорового человека более половины железа входит в гемоглобин. Принцип действия препарата заключается в распространении биологически усвоенного железа с током крови и избирательном накоплении в клетках опухолевой ткани. Уровень накопления изотопа в органах выявляется с помощью гамма-камеры.

В России радиофармпрепарат на основе ⁵⁹Fe производит Обнинский филиал Научно-исследовательского физико-химического института имени Л. Я. Карпова^[9].

Таблица изотопов железа

Символ нуклида	Z(p)	N(n)	Масса изотопа^[10] (а. е. м.)	Период полураспада^[2] (T_1/2)	Канал распада	Продукт распада	Спин и чётность ядра^[2]	Распространённость изотопа в природе	Диапазон изменения изотопной распространённости в природе
Символ нуклида	Энергия возбуждения			Период полураспада^[2] (T_1/2)	Канал распада	Продукт распада	Спин и чётность ядра^[2]	Распространённость изотопа в природе	Диапазон изменения изотопной распространённости в природе
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) ч	β⁺	^52mMn	0+
^52mFe	6,81(13) МэВ			45,9(6) с	β⁺	⁵²Mn	(12+)#
⁵³Fe	26	27	52,9453079(19)	8,51(2) мин	β⁺	⁵³Mn	7/2−
^53mFe	3040,4(3) кэВ			2,526(24) мин	ИП	⁵³Fe	19/2−
⁵⁴Fe	26	28	53,9396090(5)	стабилен^{[прим. 1]}			0+	0,05845(35)	0,05837–0,05861
^54mFe	6526,9(6) кэВ			364(7) нс			10+
⁵⁵Fe	26	29	54,9382934(7)	2,737(11) лет	ЭЗ	⁵⁵Mn	3/2−
⁵⁶Fe	26	30	55,9349363(5)	стабилен			0+	0,91754(36)	0,91742–0,91760
⁵⁷Fe	26	31	56,9353928(5)	стабилен			1/2−	0,02119(10)	0,02116–0,02121
⁵⁸Fe	26	32	57,9332744(5)	стабилен			0+	0,00282(4)	0,00281–0,00282
⁵⁹Fe	26	33	58,9348755(8)	44,495(9) сут	β⁻	⁵⁹Co	3/2−
⁶⁰Fe	26	34	59,934072(4)	2,6⋅10⁶ лет	β⁻	⁶⁰Co	0+
⁶¹Fe	26	35	60,936745(21)	5,98(6) мин	β⁻	⁶¹Co	3/2−,5/2−
^61mFe	861(3) кэВ			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) кэВ			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) кэВ			64(17) мкс			(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+
β⁺ — позитронный распад; β^- — электронный распад; p — протонный распад; n — нейтронный распад; ЭЗ — электронный захват; ИП — изомерный переход.

↑ Теоретически может претерпевать двойной электронный захват в ⁵⁴Cr.

Пояснения к таблице

Распространённость изотопов приведена для большинства природных образцов. Для других источников значения могут сильно отличаться.

Индексами 'm', 'n', 'p' (рядом с символом) обозначены возбужденные изомерные состояния нуклида.

Символами, выделенными жирным шрифтом, обозначены стабильные продукты распада.

Значения, помеченные решёткой (#), получены не из одних лишь экспериментальных данных, а (хотя бы частично) оценены из систематических трендов у соседних нуклидов (с такими же соотношениями Z и N). Неуверенно определённые значения спина и/или чётности заключены в скобки.

Погрешность приводится в виде числа в скобках, выраженного в единицах последней значащей цифры, означает одно стандартное отклонение (за исключением распространённости и стандартной атомной массы изотопа по данным ИЮПАК, для которых используется более сложное определение погрешности). Примеры: 29770,6(5) означает 29770,6 ± 0,5; 21,48(15) означает 21,48 ± 0,15; −2200,2(18) означает −2200,2 ± 1,8.

Примечания

↑ Rugel G. et al. New Measurement of the ⁶⁰Fe Half-Life (англ.) // Physical Review Letters : journal. — 2009. — Vol. 103. — P. 72502. — doi:10.1103/PhysRevLett.103.072502.
↑ ¹ ² ³ Audi G., Bersillon O., Blachot J., Wapstra A. H. The NUBASE evaluation of nuclear and decay properties // Nuclear Physics A. — 2003. — Т. 729. — С. 3—128. — doi:10.1016/j.nuclphysa.2003.11.001. — Bibcode: 2003NuPhA.729....3A.
↑ Железо-55 (неопр.). Дата обращения: 24 мая 2019. Архивировано 24 мая 2019 года.
↑ R. Nave. Mossbauer Effect in Iron-57 (неопр.). HyperPhysics. Georgia State University. Дата обращения: 13 октября 2009. Архивировано 4 августа 2011 года.
↑ Iron-57 (⁵⁷Fe) (неопр.). Дата обращения: 23 декабря 2017. Архивировано 24 декабря 2017 года.
↑ Iron-59 Handling Precautions (неопр.). Дата обращения: 30 декабря 2017. Архивировано 31 декабря 2017 года.
↑ Железа сульфат, ⁵⁹Fe (Ferric sulfate, ⁵⁹Fe) (неопр.). Дата обращения: 30 декабря 2017. Архивировано 31 декабря 2017 года.
↑ Железа сульфат, ⁵⁹Fe (неопр.). Дата обращения: 30 декабря 2017. Архивировано 31 декабря 2017 года.
↑ Обнинский филиал НИФХИ им. Л. Я. Карпова отмечает 50 лет со дня пуска реактора (неопр.). Дата обращения: 15 октября 2017. Архивировано 15 октября 2017 года.
↑ Данные приведены по Wang M., Audi G., Kondev F. G., Huang W. J., Naimi S., Xu X. The Ame2016 atomic mass evaluation (I). Evaluation of input data; and adjustment procedures (англ.) // Chinese Physics C. — 2016. — Vol. 41, iss. 3. — P. 030002-1—030002-344. — doi:10.1088/1674-1137/41/3/030002.

[11] Теоретически может претерпевать двойной электронный захват в ⁵⁴Cr.

[1] Rugel G. et al. New Measurement of the ⁶⁰Fe Half-Life (англ.) // Physical Review Letters : journal. — 2009. — Vol. 103. — P. 72502. — doi:10.1103/PhysRevLett.103.072502.

[Nubase2003-2] ¹ ² ³ Audi G., Bersillon O., Blachot J., Wapstra A. H. The NUBASE evaluation of nuclear and decay properties // Nuclear Physics A. — 2003. — Т. 729. — С. 3—128. — doi:10.1016/j.nuclphysa.2003.11.001. — Bibcode: 2003NuPhA.729....3A.

[3] Железо-55 (неопр.). Дата обращения: 24 мая 2019. Архивировано 24 мая 2019 года.

[4] R. Nave. Mossbauer Effect in Iron-57 (неопр.). HyperPhysics. Georgia State University. Дата обращения: 13 октября 2009. Архивировано 4 августа 2011 года.

[5] Iron-57 (⁵⁷Fe) (неопр.). Дата обращения: 23 декабря 2017. Архивировано 24 декабря 2017 года.

[6] Iron-59 Handling Precautions (неопр.). Дата обращения: 30 декабря 2017. Архивировано 31 декабря 2017 года.

[7] Железа сульфат, ⁵⁹Fe (Ferric sulfate, ⁵⁹Fe) (неопр.). Дата обращения: 30 декабря 2017. Архивировано 31 декабря 2017 года.

[8] Железа сульфат, ⁵⁹Fe (неопр.). Дата обращения: 30 декабря 2017. Архивировано 31 декабря 2017 года.

[9] Обнинский филиал НИФХИ им. Л. Я. Карпова отмечает 50 лет со дня пуска реактора (неопр.). Дата обращения: 15 октября 2017. Архивировано 15 октября 2017 года.

[AME2003-10] Данные приведены по Wang M., Audi G., Kondev F. G., Huang W. J., Naimi S., Xu X. The Ame2016 atomic mass evaluation (I). Evaluation of input data; and adjustment procedures (англ.) // Chinese Physics C. — 2016. — Vol. 41, iss. 3. — P. 030002-1—030002-344. — doi:10.1088/1674-1137/41/3/030002.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[прим. 1]