鉄の同位体

天然に存在する鉄（₂₆ Fe）は4つの安定同位体で構成されています：5.845%の⁵⁴ Fe（半減期が1000万回を超える放射性物質である可能性があります）4.4 × 10 ²⁰年）、^{[4] 56} Feの 91.754% 、^{57 Fe の 2.119%、 58} Feの 0.286%です。28 種類の放射性同位体と 8 種類の核異性体が知られていますが、最も安定しているのは⁶⁰ Fe（半減期 260 万年）と⁵⁵ Fe（半減期 2.7 年）です。

鉄の同位体組成を測定するこれまでの研究の多くは、元素合成（隕石研究など）や鉱石形成に伴うプロセスによる^{60 Fe の変動の特定に集中していました。しかし、過去 10 年間で}質量分析技術の進歩により、鉄の安定同位体の比率の微細で自然に発生する変動を検出し、定量化できるようになりました。この研究の多くは地球惑星科学コミュニティによって推進されてきましたが、生物系や産業システムへの応用も始まって​​います。^[5]

⁵⁴ Feは観測的には安定しているが、理論的には半減期が1000時間以上で^{54 Crに崩壊する可能性がある。}二重電子捕獲（εε）により4.4 × 1020^年[4]

⁵⁶ Feは鉄の最も豊富な同位体である。また、核子あたりの質量が最も低い同位体（930.412 MeV/c ^{2 ）}でもあるが、核子あたりの核結合エネルギーが最も高い同位体はニッケル62である。^[7]しかし、元素合成の仕組みの詳細により、^{56 Feは}超新星内部の核融合連鎖のより一般的な終点であり、そのほとんどは⁵⁶ Niとして生成される。したがって、^{56 Niは、結合エネルギーが非常に高い62} Ni、⁵⁸ Fe、⁶⁰ Niなどの他の金属と比較して、宇宙でより一般的である。

⁵⁶ Feの核結合エネルギーが高いということは、それ以上の核反応がエネルギー的に不利になる点を表しています。このため、56 Fe は大質量星の恒星内元素合成反応で生成される最も重い元素の 1 つです。これらの反応では、マグネシウム、シリコン、硫黄などの軽い元素が融合して、より重い元素が生成されます。生成される重い元素には⁵⁶ Niがあり、これはその後⁵⁶ Coに崩壊し、その後⁵⁶ Fe になります。

⁵⁷ Feは、14.4 keVの核遷移エネルギーの自然変動が小さいため、メスバウアー分光法や関連する核共鳴振動分光法で広く使用されています。 ^[8]この遷移は、1960年のパウンド・レプカ実験で重力赤方偏移 の最初の決定的な測定を行うために使用されたことで有名です。^[9]

鉄58は、貧血や鉄の吸収低下の防止、鉄を制御するヒト遺伝子の代謝追跡、自然界の元素の追跡に使用できます。^{[10] [11]}鉄58は、超重元素の合成を補助する試薬でもあります。^[11]

鉄60は半減期が260万年の鉄同位体であるが^{[12] [13]}、2009年までは半減期が150万年であると考えられていた。鉄60はベータ崩壊してコバルト60となり、その後半減期約5年で安定したニッケル60に崩壊する。月のサンプルには鉄60の痕跡が見つかっている。

セマルコナ隕石とチェルヴォニー・クト隕石の相では、 ⁶⁰ Feの孫同位体である⁶⁰ Niの濃度と安定鉄同位体の存在量との間に相関関係が見られ、これは太陽系の形成時に^{60 Fe が存在していた証拠である。 60 Fe の崩壊によって放出されたエネルギーは、放射性核種26} Alの崩壊によって放出されたエネルギーとともに、46億年前の形成後の小惑星の再溶融と分化に寄与した可能性がある。地球外物質に存在する^{60 Ni の豊富さは、}太陽系の起源と初期の歴史に対するさらなる洞察も提供する可能性がある。

海底堆積物の化石細菌から発見された鉄60は、約200万年前に太陽系付近で超新星爆発があったことを示唆している。^{[14] [15]}鉄60は800万年前の堆積物からも発見されている。^[16] 2019年、研究者らは南極で星間⁶⁰ Feを発見し、これを局部星間雲に関連付けた。^[17]

起源の超新星までの距離は、地球が膨張する超新星噴出物を通過する際に捕捉される鉄 60 の量を関連付けることで推定できます。超新星で放出された物質が、その起源から均一に膨張し、表面積が 4πr ²の球体になると仮定します。地球に捕捉される物質の割合は、物質が膨張する破片を通過する際の断面積 (πR ² _{earth ) に依存します。ここで、M ej は}放出された物質の質量です。捕捉された物質が地球の表面 (4πR ² _earth ) 全体に均一に分布していると仮定すると、地球上の超新星噴出物の質量表面密度 (Σ _{ej ) は次のようになります。地球上で見つかる単位面積あたりの}⁶⁰ Fe 原子の数は、超新星から放出される⁶⁰ Feの典型的な量がわかっていれば推定できます。これは、表面質量密度 (Σ ej ) を 60 Fe の原子質量で割ることで_実行^できます。 N ₆₀の式を変形すると、超新星までの距離を求めることができます。超新星の発生点までの距離の計算例を以下に示します。この計算では、地球上の⁶⁰ Fe 原子の表面密度の推定値 (N ₆₀ ≈ 4 × 10 ¹¹原子^{2 /m) と、超新星爆発で放出される60} Feの質量の大まかな推定値(10 ^-5 M _☉ ) を使用しています。60 Fe の^{フラックス}と沈着、および干渉する可能性のある背景源を考慮した、より洗練された分析が報告されています。 ^[18]$${\displaystyle M_{\text{遮断率}={\frac {\pi R_{\text{地球}}^{2}}{4\pi r^{2}}}M_{ej}}$$$${\displaystyle \Sigma _{ej}={\frac {M_{\text{遮断率}}}{A_{\text{表面、地球}}}}={\frac {M_{ej}}{16\pi r^{2}}}}$$$${\displaystyle N_{60}=\left({\frac {M_{ej,60}/m_{60}}{16\pi r^{2}}}\right)}$$$${\displaystyle r={\sqrt {\frac {M_{ej,60}}{16\pi m_{60}N_{60}}}}$$$${\displaystyle r={\sqrt {\frac {10^{-5}M_{\odot }}{16\pi \left(60m_{p}\right)N_{60}}}}}$$$${\displaystyle r=3\times 10^{18}m=100pc}$$

鉄60の崩壊生成物であるコバルト60は、崩壊時に1.173 MeVと1.333 MeVのガンマ線を放出します。これらのガンマ線は長い間ガンマ線天文学の重要なターゲットであり、ガンマ線観測衛星INTEGRALによって検出されています。信号は銀河面をトレースし、銀河系で⁶⁰ Feの合成が進行中であることを示し、大質量星における元素生成を探ります。 ^{[19] [20]}

同位体質量:

• アウディ、ジョルジュ。ベルシヨン、オリヴィエ。ジャン・ブラショー。Wapstra、Aaldert Hendrik (2003)、「核および崩壊特性の NUBASE 評価」、核物理学 A、729 : 3–128、Bibcode :2003NuPhA.729....3A、doi :10.1016/j.nuclphysa.2003.11。 001

同位体組成と標準原子質量:

• de Laeter, John Robert ; Böhlke, John Karl ; De Bièvre, Paul ; Hidaka, Hiroshi ; Peiser, H. Steffen ; Rosman, Kevin JR ; Taylor, Philip DP (2003). 「元素の原子量。レビュー 2000 (IUPAC 技術レポート)」。純正および応用化学。75 (6): 683– 800。doi : 10.1351/pac200375060683。
• Wieser, Michael E. (2006). 「元素の原子量 2005 (IUPAC 技術レポート)」.純粋および応用化学. 78 (11): 2051– 2066. doi : 10.1351/pac200678112051 .
• 「ニュースとお知らせ: 標準原子量の改訂」国際純正応用化学連合。2005 年 10 月 19 日。

半減期、スピン、異性体データは以下から選択:

• アウディ、ジョルジュ。ベルシヨン、オリヴィエ。ジャン・ブラショー。Wapstra、Aaldert Hendrik (2003)、「核および崩壊特性の NUBASE 評価」、核物理学 A、729 : 3–128、Bibcode :2003NuPhA.729....3A、doi :10.1016/j.nuclphysa.2003.11。 001
• 国立核データセンター。「NuDat 2.x データベース」。ブルックヘブン国立研究所。
• ホールデン、ノーマン E. (2004)。「11. 同位体の表」。ライド、デビッド R. (編)。CRC化学および物理学ハンドブック(第 85 版)。フロリダ州ボカラトン: CRC プレス。ISBN 978-0-8493-0485-9。

• JM Nielsen (1960). 鉄の放射化学(PDF) .米国科学アカデミー/米国研究会議.