Isotopes du fer

Le fer (Fe) possède 28 isotopes connus, de nombre de masse variant de 45 à 72, ainsi que six isomères nucléaires. Parmi ces isotopes, quatre sont stables, ⁵⁴Fe, ⁵⁶Fe, ⁵⁷Fe et ⁵⁸Fe. L'isotope ⁵⁶Fe est largement le plus abondant, suivi de ⁵⁴Fe (qui est soupçonné d'être très faiblement radioactif, avec une demi-vie supérieure à 3,1 × 10²² années). La masse atomique standard du fer est de 55,845(2) u.

Le plus stable des radioisotopes du fer est ⁶⁰Fe avec une demi-vie de 2,6 millions d'années, suivi de ⁵⁵Fe (2,7 années), ⁵⁹Fe (un peu moins de 44,5 jours) et de ⁵²Fe (8,5 heures). Tous les autres isotopes ont une demi-vie inférieure à 10 minutes et pour la plupart d'entre eux inférieure à la minute. Les isotopes plus légers que les isotopes stables se désintègrent principalement par émission de positron (β⁺) en isotopes du manganèse, sauf certains isotopes très légers qui peuvent se désintégrer aussi, voire majoritairement, par émission de positron suivie d'une émission de proton en isotopes du chrome. Le plus légers d'entre eux, ⁴⁵Fe, se désintègre lui principalement (à 70 %) par double émission de proton en ⁴³Cr. Les isotopes plus lourds que les isotopes stables principalement par émission β⁻ en isotopes du cobalt. ⁵⁵Fe se désintègre lui par capture électronique en ⁵⁵Mn.

Isotopes notables

Fer naturel

Le fer naturel est constitué des quatre isotopes stables ⁵⁴Fe, ⁵⁶Fe, ⁵⁷Fe et ⁵⁸Fe, et de très faibles traces de ⁶⁰Fe retrouvées dans le plancher océanique.

Isotope	Abondance (pourcentage molaire)	Gamme de variations
⁵⁴Fe	5,845 (35) %	5,837 - 5,861
⁵⁶Fe	91,754 (36) %	91,742 - 91,760
⁵⁷Fe	2,119 (10) %	2,116 - 2,121
⁵⁸Fe	0,282 (4) %	0,281 - 0,282
⁶⁰Fe	traces

Fer 54

Le fer 54 (⁵⁴Fe) est l'isotope du fer dont le noyau est constitué de 26 protons et de 28 neutrons. Il est observé stable, mais théoriquement, il devrait se désintégrer par double émission de positron (2β⁺) en ⁵⁴Cr, avec une demi-vie supérieure à 3,1 × 10²² années.

Fer 55

Article détaillé : Fer 55.

Le fer 55 (⁵⁵Fe) est l'isotope du fer dont le noyau est constitué de 26 protons et de 29 neutrons. C'est un radioisotope qui se désintègre par capture électronique en manganèse 55 avec une demi-vie de 2,737 années. C'est un émetteur de rayons X, utilisé comme source de rayons X dans diverses techniques d'analyse scientifique, comme la diffraction aux rayons X. C'est aussi une source en électrons Auger, émis durant la désintégration.

Fer 56

Article détaillé : Fer 56.

Le fer 56 (⁵⁶Fe) est l'isotope du fer dont le noyau est constitué de 26 protons et de 30 neutrons. C'est l'isotope avec la plus faible masse par nucléon, 930,412 MeV/c², même si ce n'est pas l'isotope avec la plus forte énergie de liaison nucléaire par nucléon, qui est le nickel 62^[1]. Cependant, du fait des mécanismes de la nucléosynthèse stellaire, ⁵⁶Fe est le composé terminal le plus courant issu des chaînes de fusion des étoiles extrêmement massives et est par conséquent plus abondant dans l'Univers que d'autres « métaux », incluant ⁶²Ni, ⁵⁸Fe et ⁶⁰Ni, ayant tous aussi de très fortes énergies de liaison.

Fer 57

Le fer 57 (⁵⁷Fe) est l'isotope du fer dont le noyau est constitué de 26 protons et de 31 neutrons. C'est un isotope stable, couramment utilisé en spectroscopie Mössbauer du fait de la faible variation naturelle en énergie d'une transition nucléaire à 14,4 keV^[2].

Fer 60

Article détaillé : Fer 60.

Le fer 60 (⁶⁰Fe) est l'isotope du fer dont le noyau est constitué de 26 protons et de 34 neutrons. C'est un radioisotope avec une demi-vie de 2,6 millions d'années, alors qu'on croyait qu'elle était de 1,5 million d'années jusqu'en 2009^[3]^,^[4]. Il se désintègre par émission β⁻ en cobalt 60.

Une corrélation, dans la composition des météorites Semarkona et Chervony Kut, entre la concentration en ⁶⁰Ni, l'isotope-« petit-fils » de ⁶⁰Fe, et l'abondance en isotopes stables du fer présents, serait une preuve de l'existence de ⁶⁰Fe à l'époque de la formation du système solaire. Éventuellement, l'énergie libérée lors de la désintégration de ⁶⁰Fe aurait contribué, avec celle libérée par la désintégration de l'isotope ²⁶Al, à la refusion et à la différenciation d'astéroïdes après leur formation il y a 4,6 milliards d'années. L'abondance en ⁶⁰Ni dans les matériaux extraterrestres peut également fournir d'autres renseignements sur l'origine du système solaire et son histoire primitive.

Du fer 60 a également été trouvé dans le plancher océanique^[5]^,^[6], preuve étant donné sa demi-vie courte à l'échelle géologique d'un apport de fer 60 par plusieurs supernovas proches (moins de 300 années-lumière de la Terre) datant d'il y a moins de 10 millions d'années.

Table des isotopes

Symbole de l'isotope	Z (p)	N (n)	Masse isotopique (u)	Demi-vie	Mode(s) de désintégration^[7]^,^{[n 1]}	Isotope(s) fils^{[n 2]}	Spin nucléaire
Symbole de l'isotope	Énergie d'excitation			Demi-vie	Mode(s) de désintégration^[7]^,^{[n 1]}	Isotope(s) fils^{[n 2]}	Spin nucléaire
⁴⁵Fe	26	19	45,01458(24)#	1,89(49) ms	β⁺ (30 %)	⁴⁵Mn	3/2+#
⁴⁵Fe	26	19	45,01458(24)#	1,89(49) ms	2p (70 %)	⁴³Cr	3/2+#
⁴⁶Fe	26	20	46,00081(38)#	9(4) ms [12(+4-3) ms]	β⁺ (>99,9 %)	⁴⁶Mn	0+
⁴⁶Fe	26	20	46,00081(38)#	9(4) ms [12(+4-3) ms]	β⁺, p (< 0,1 %)	⁴⁵Cr	0+
⁴⁷Fe	26	21	46,99289(28)#	21,8(7) ms	β⁺ (>99,9 %)	⁴⁷Mn	7/2-#
⁴⁷Fe	26	21	46,99289(28)#	21,8(7) ms	β⁺, p (< 0,1 %)	⁴⁶Cr	7/2-#
⁴⁸Fe	26	22	47,98050(8)#	44(7) ms	β⁺ (96,41 %)	⁴⁸Mn	0+
⁴⁸Fe	26	22	47,98050(8)#	44(7) ms	β⁺, p (3,59 %)	⁴⁷Cr	0+
⁴⁹Fe	26	23	48,97361(16)#	70(3) ms	β⁺, p (52 %)	⁴⁸Cr	(7/2-)
⁴⁹Fe	26	23	48,97361(16)#	70(3) ms	β⁺ (48 %)	⁴⁹Mn	(7/2-)
⁵⁰Fe	26	24	49,96299(6)	155(11) ms	β⁺ (>99,9 %)	⁵⁰Mn	0+
⁵⁰Fe	26	24	49,96299(6)	155(11) ms	β⁺, p (< 0,1 %)	⁴⁹Cr	0+
⁵¹Fe	26	25	50,956820(16)	305(5) ms	β⁺	⁵¹Mn	5/2-
⁵²Fe	26	26	51,948114(7)	8,275(8) h	β⁺	⁵²Mn	0+
^52mFe	6,81(13) MeV			45,9(6) s	β⁺	⁵²Mn	(12+)#
⁵³Fe	26	27	52,9453079(19)	8,51(2) min	β⁺	⁵³Mn	7/2-
^53mFe	3040,4(3) keV			2,526(24) min	TI	⁵³Fe	19/2-
⁵⁴Fe	26	28	53,9396105(7)	Observé stable^{[n 3]}			0+
^54mFe	6526,9(6) keV			364(7) ns			10+
⁵⁵Fe	26	29	54,9382934(7)	2,737(11) a	CE	⁵⁵Mn	3/2-
⁵⁶Fe^{[n 4]}	26	30	55,9349375(7)	Stable			0+
⁵⁷Fe	26	31	56,9353940(7)	Stable			1/2-
⁵⁸Fe	26	32	57,9332756(8)	Stable			0+
⁵⁹Fe	26	33	58,9348755(8)	44,495(9) j	β⁻	⁵⁹Co	3/2-
⁶⁰Fe	26	34	59,934072(4)	2,6 × 10⁶ a	β⁻	⁶⁰Co	0+
⁶¹Fe	26	35	60,936745(21)	5,98(6) min	β⁻	⁶¹Co	3/2-,5/2-
^61mFe	861(3) keV			250(10) ns			9/2+#
⁶²Fe	26	36	61,936767(16)	68(2) s	β⁻	⁶²Co	0+
⁶³Fe	26	37	62,94037(18)	6,1(6) s	β⁻	⁶³Co	(5/2)-
⁶⁴Fe	26	38	63,9412(3)	2,0(2) s	β⁻	⁶⁴Co	0+
⁶⁵Fe	26	39	64,94538(26)	1,3(3) s	β⁻	⁶⁵Co	1/2-#
^65mFe	364(3) keV			430(130) ns			(5/2-)
⁶⁶Fe	26	40	65,94678(32)	440(40) ms	β⁻ (>99,9 %)	⁶⁶Co	0+
⁶⁶Fe	26	40	65,94678(32)	440(40) ms	β⁻, n (< 0,1 %)	⁶⁵Co	0+
⁶⁷Fe	26	41	66,95095(45)	394(9) ms	β⁻ (>99,9 %)	⁶⁷Co	1/2-#
⁶⁷Fe	26	41	66,95095(45)	394(9) ms	β⁻, n (< 0,1 %)	⁶⁶Co	1/2-#
^67mFe	367(3) keV			64(17) µs			(5/2-)
⁶⁸Fe	26	42	67,95370(75)	187(6) ms	β⁻ (>99,9 %)	⁶⁸Co	0+
⁶⁸Fe	26	42	67,95370(75)	187(6) ms	β⁻, n	⁶⁷Co	0+
⁶⁹Fe	26	43	68,95878(54)#	109(9) ms	β⁻ (>99,9 %)	⁶⁹Co	1/2-#
⁶⁹Fe	26	43	68,95878(54)#	109(9) ms	β⁻, n (< 0,1 %)	⁶⁸Co	1/2-#
⁷⁰Fe	26	44	69,96146(64)#	94(17) ms			0+
⁷¹Fe	26	45	70,96672(86)#	30# ms [>300 ns]			7/2+#
⁷²Fe	26	46	71,96962(86)#	10# ms [>300 ns]			0+

Remarques

Les valeurs marquées # ne sont pas purement dérivées des données expérimentales, mais aussi au moins en partie à partir des tendances systématiques. Les spins avec des arguments d'affectation faibles sont entre parenthèses.
Les incertitudes sont données de façon concise entre parenthèses après la décimale correspondante. Les valeurs d'incertitude dénotent un écart-type, à l'exception de la composition isotopique et de la masse atomique standard de l'IUPAC qui utilisent des incertitudes élargies^[8].
Masses des isotopes données par la Commission sur les Symboles, les Unités, la Nomenclature, les Masses atomiques et les Constantes fondamentales (SUNAMCO) de l'IUPAP.
Abondances isotopiques données par la Commission des Abondances isotopiques et des Poids atomiques de l'IUPAC.

Notes et références

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