鉄の同位体

鉄 の同位体（26 Fe）
主な同位体[1]減衰
アイソトープ豊富半減期 （t 1/2）モード製品
54鉄5.85%安定した
55鉄シンセ2.7562年ε55万人
56鉄91.8%安定した
57鉄2.12%安定した
58鉄0.28%安定した
59鉄シンセ44.50日β −59 Co
60鉄トレース2.62 × 10 6 年β −60 Co
標準原子量 A r °(Fe)
  • 55.845 ± 0.002 [2]
  • 55.845 ± 0.002  （要約）[3]

天然の鉄（Fe26）は、4つの安定同位体（ Fe54が5.85% 、 Fe56が91.75% 、Fe57が2.12% 、Fe58が0.28% ）で構成されています。28種類の放射性同位体と8種類の核異性体が知られており、最も安定しているのはFe60（半減期262万年）とFe55（半減期275万62年）です。

鉄の同位体組成測定に関するこれまでの研究の多くは、元素合成（例えば隕石研究）や鉱石形成に伴う過程による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、鉄の安定同位体比における微細かつ自然発生的な変動を検出・定量化することが可能になりました。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。[4]

同位体のリスト

核種
[n 1]		Z北同位体質量 （Da）[5] [n 2] [n 3]
半減期[1]
[n 4]		減衰
モード[1]
[n 5]		娘
同位体
[n 6]		スピンと
パリティ[1]
[n 7] [n 4]		天然存在比 （モル分率）
励起エネルギー通常の割合[1]変動の範囲
45鉄261945.01547(30)#2.5(2)ミリ秒2ポイント（70％）43 Cr3/2+#
β +、p（18.9％）44億ルピー
β +、2p（7.8％）43V​
β + (3.3%)45 Mn
46鉄262046.00130(32)#13.0(20)ミリ秒β +、p（78.7％）45 Cr0歳以上
β + (21.3%)46 Mn
β +、 2p?44V​
47鉄262146.99235(54)#21.9(2)ミリ秒β +、p（88.4％）46 Cr7/2−#
β + (11.6%)47 Mn
48鉄262247.980667(99)45.3(6)ミリ秒β + (84.7%)48 Mn0歳以上
β +、p（15.3％）47 Cr
49鉄262348.973429(26)64.7(3)ミリ秒β +、p（56.7％）48 Cr（7月2日〜）
β + (43.3%)49 Mn
50鉄262449.9629880(90)152.0(6)ミリ秒β +50 Mn0歳以上
β +、p?49 Cr
51鉄262550.9568551(15)305.4(23)ミリ秒β +51マン5/2−
52鉄262651.94811336(19)8.275(8) 時間β +52マン0歳以上
52m Fe6960.7(3) keV45.9(6)秒β + (99.98%)52マン12歳以上
IT（0.021％）52鉄
53鉄262752.9453056(18)8.51(2)分β +53百万7月2日
53m Fe3040.4(3) keV2.54(2)分それ53鉄19/2−
54鉄262853.93960819(37)観測的に安定している[n 8]0歳以上0.05845(105)
54m Fe6527.1(11) keV364(7) nsそれ54鉄10歳以上
55鉄262954.93829116(33)2.7562(4) 年EC55万人3/2−
56 Fe [n 9]263055.93493554(29)安定した0歳以上0.91754(106)
57鉄263156.93539195(29)安定した1/2−0.02119(29)
58鉄263257.93327358(34)安定した0歳以上0.00282(12)
59鉄263358.93487349(35)44.500(12) dβ −59 Co3/2−
60鉄263459.9340702(37)2.62(4)×10 6 年β −60 Co0歳以上トレース
61鉄263560.9367462(28)5.98(6)分β −61 Co（3/2−）
61m Fe861.67(11) keV238(5) nsそれ61鉄9/2+
62鉄263661.9367918(30)68(2) sβ −62 Co0歳以上
63鉄263762.9402727(46)6.1(6) sβ −63 Co（5/2−）
64鉄263863.9409878(54)2.0(2)秒β −64 Co0歳以上
65鉄263964.9450153(55)805(10)ミリ秒β −65 Co（1/2−）
β −、n ?64 Co
65m1鉄393.7(2) keV1.12(15)秒β − ?65 Co（9/2+）
65m2鉄397.6(2) keV418(12) nsそれ65鉄（5/2+）
66鉄264065.9462500(44)467(29)ミリ秒β −66 Co0歳以上
β −、n?65 Co
67鉄264166.9509300(41)394(9)ミリ秒β −67 Co（1/2-）
β −、n?66 Co
67m1鉄403(9) keV64(17)μsそれ67鉄(5/2+、7/2+)
67m2鉄450(100)# keV75(21)μsそれ67鉄（9/2+）
68鉄264267.95288(21)#188(4)ミリ秒β −68 Co0歳以上
β −、n?67 Co
69鉄264368.95792(22)#162(7) ミリ秒β −69 Co1/2−#
β −、n?68 Co
β −、2n?67 Co
70鉄264469.96040(32)#61.4(7)ミリ秒β −70 Co0歳以上
β −、n?69 Co
71鉄264570.96572(43)#34.3(26)ミリ秒β −71 Co7/2+#
β −、n?70 Co
β −、2n?69 Co
72鉄264671.96860(54)#17.0(10)ミリ秒β −72 Co0歳以上
β −、n?71 Co
β −、2n?70 Co
73鉄264772.97425(54)#12.9(16)ミリ秒β −73 Co7/2+#
β −、n?72 Co
β −、2n?71 Co
74鉄264873.97782(54)#5(5)ミリ秒β −74 Co0歳以上
β −、n?73 Co
β −、2n?72 Co
75鉄264974.98422(64)#9# ミリ秒
[>620 ナノ秒]		β − ?75 Co9/2+#
β −、n?74 Co
β −、2n?73 Co
76鉄265075.98863(64)#3# ミリ秒
[>410 ナノ秒]		β − ?76 Co0歳以上
この表のヘッダーとフッター:
  1. ^ m Fe – 励起核異性体。
  2. ^ ( ) – 不確実性 (1 σ ) は、対応する最後の数字の後の括弧内に簡潔に示されます。
  3. ^ # – 原子質量は # でマークされています。値と不確実性は純粋な実験データからではなく、少なくとも部分的に質量表面 (TMS) の傾向から導き出されています。
  4. ^ ab # – # でマークされた値は、純粋に実験データから導き出されたものではなく、少なくとも部分的には近隣核種の傾向 (TNN) から導き出されたものです。
  5. ^ 崩壊のモード:
    EC:電子捕獲


    それ：異性体転移
    名前:中性子放出
    p:陽子放出
  6. ^ 太字の記号は娘製品です – 娘製品は安定しています。
  7. ^ ( ) スピン値 – 弱い割り当て引数を持つスピンを示します。
  8. ^ β + β +によって54 Crに崩壊し、半減期は 4.4×10 20 a以上であると考えられている[6]
  9. ^ すべての核種の中で核子あたりの質量が最も小さい。恒星内元素合成の最終生成物。

鉄-56

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（ニッケル62 ）ではない。[7]しかし、元素合成の仕組みの詳細から、56 Feは超新星爆発における核融合の終点としてより一般的であり、主に56 Niとして生成され、その後56 Co、そして鉄へと崩壊する。したがって、56 Feは、 62 Ni、58 Fe、60 Niなどの比較的高い結合エネルギーを持つ 他の重元素と比較して、宇宙においてより一般的である。

鉄-57

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用いられています。 [8]この遷移は、1960年のパウンド・レプカ実験において、重力赤方偏移 の最初の決定的な測定に使用されたことで有名です。[9]

鉄-60

鉄60の半減期は262万年[10]ですが、2009年までは半減期が150万年と考えられていました。鉄60はベータ崩壊してコバルト60に変化し、さらに約5年というはるかに短い半減期で安定なニッケル60に変化します。

セマルコナ隕石とチェルヴォニー・クート隕石の相では、 60 Feの孫娘同位体である60 Niの過剰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、これは太陽系形成時に60 Feが存在していた証拠となる。 [11]元々の存在量にもよるが、60 Feの崩壊エネルギーは、 26 Alの崩壊エネルギーと共に、小惑星や微惑星の形成後の再溶融と分化に大きく寄与した可能性がある。地球外物質中のこれらのニッケルの存在量は、太陽系の起源とその初期の歴史に関する更なる知見をもたらす可能性がある。

生きた（星間）鉄60は、1999年に深海堆積物で初めて確認されました。[12]これらは深海の鉄マンガンクラストで、絶えず成長して、鉄、マンガン、その他の元素を凝集しています。[13]鉄60は、海底堆積物の化石細菌で発見されています。[14] [15] 2019年に、研究者らは南極で60 Feを発見しました。[16]鉄60は深海堆積物で2つのピークを示し、最初のピークは170〜320万年前、2番目のピークは650〜870万年前です。ピークは、太陽系がローカルバブル、おそらくオリオン-エリダヌススーパーバブルを通過したことに関連しています。これらのスーパーバブルは、複数の超新星によって生成されました。[17]鉄60の痕跡は月のサンプルでも見つかっています。

起源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の量と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、表面積4πr 2の球状に膨張すると仮定します。地球に捕捉される物質の割合は、その断面積（πR）に依存します。 2
地球 ）が拡大する破片を通過するとき：

ここで、M ejは放出された物質の質量である。捕捉された物質が地球表面全体に均一に分布していると仮定すると（4πR 2
地球 ）、地球上の超新星噴出物の質量表面密度（Σej ）は：

地球上の単位面積あたりの60 Fe原子の数は、超新星から放出される典型的な60 Feの量が分かれば推定できます。これは、表面質量密度（ Σ ej ）を60 Feの原子量で割ることで算出できます。

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。

超新星爆発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（N 60 ≈ 4 × 10 11 atoms/m 2 ）の推定値と、超新星爆発によって放出される60 Feの質量の大まかな推定値（10 × 10 −5  M ☉）。

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る。 [18]

鉄60の崩壊生成物であるコバルト60は、崩壊時に1.173MeVと1.332MeVのガンマ線を放出します。これらの線は長年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。この信号は銀河面をトレースしており、銀河系内で鉄60の合成が進行中であることを示しており、大質量星における元素生成を探っています。[19] [20]

参照

鉄以外の娘核産物

参考文献

  1. ^ abcde Kondev, FG; Wang, M.; Huang, WJ; Naimi, S.; Audi, G. (2021). 「NUBASE2020による核特性の評価」(PDF) . Chinese Physics C. 45 ( 3) 030001. doi :10.1088/1674-1137/abddae.
  2. ^ 「標準原子量：鉄」CIAAW . 1993年。
  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). 「元素の標準原子量2021（IUPAC技術報告書）」. Pure and Applied Chemistry . doi :10.1515/pac-2019-0603. ISSN  1365-3075.
  4. ^ N. Dauphas; O. Rouxel (2006). 「質量分析と鉄同位体の自然変動」. Mass Spectrometry Reviews . 25 (4): 515– 550. Bibcode :2006MSRv...25..515D. doi :10.1002/mas.20078. PMID  16463281.
  5. ^ Wang, Meng; Huang, WJ; Kondev, FG; Audi, G.; Naimi, S. (2021). 「AME 2020 原子質量評価 (II). 表、グラフ、参考文献*」. Chinese Physics C. 45 ( 3) 030003. doi :10.1088/1674-1137/abddaf.
  6. ^ Bikit, I.; Krmar, M.; Slivka, J.; Vesković, M.; Čonkić, Lj.; Aničin, I. (1998). 「鉄の二重β崩壊に関する新たな結果」. Physical Review C. 58 ( 4): 2566– 2567. Bibcode :1998PhRvC..58.2566B. doi :10.1103/PhysRevC.58.2566.
  7. ^ Fewell, MP (1995). 「平均結合エネルギーが最も高い原子核種」. American Journal of Physics . 63 (7): 653. Bibcode :1995AmJPh..63..653F. doi :10.1119/1.17828.
  8. ^ R. Nave. 「鉄57のメスバウアー効果」. HyperPhysics . ジョージア州立大学. 2009年10月13日閲覧。
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  12. ^ Knie, K.; Korschinek, G.; Faestermann, T.; Wallner, C.; Scholten, J.; Hillebrandt, W. (1999-07-01). 「地球における超新星爆発由来の60Fe活動の兆候」. Physical Review Letters . 83 (1): 18– 21. Bibcode :1999PhRvL..83...18K. doi :10.1103/PhysRevLett.83.18. ISSN  0031-9007.
  13. ^ Wallner, A.; Froehlich, MB; Hotchkis, MAC; Kinoshita, N.; Paul, M.; Martschini, M.; Pavetich, S.; Tims, SG; Kivel, N.; Schumann, D.; Honda, M.; Matsuzaki, H.; Aomori, T. (2021-05-01). 「地球に堆積した60Feと244Puは、最近の近傍超新星のr過程収率を制限する」. Science . 372 (6543): 742– 745. Bibcode :2021Sci...372..742W. doi :10.1126/science.aax3972. ISSN  0036-8075. PMID  33986180.
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  15. ^ Ludwig, Peter; et al. (2016年8月16日). 「地球の微化石記録で発見された200万年前の超新星活動の時間分解」PNAS . 113 (33): 9232– 9237. arXiv : 1710.09573 . Bibcode :2016PNAS..113.9232L. doi : 10.1073/pnas.1601040113 . PMC 4995991. PMID  27503888 . 
  16. ^ Koll, Dominik; et al. (2019). 「南極大陸の星間60 Fe」. Physical Review Letters . 123 (7) 072701. Bibcode :2019PhRvL.123g2701K. doi :10.1103/PhysRevLett.123.072701. hdl : 1885/298253 . PMID:  31491090. S2CID  : 201868513.
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