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:
.
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] (T1/2) | Канал распада | Продукт распада | Спин и чётность ядра[2] | Распространённость изотопа в природе | Диапазон изменения изотопной распространённости в природе |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Энергия возбуждения | |||||||||
| 45Fe | 26 | 19 | 45,01458(24)# | 1,89(49) мс | β+ (30%) | 45Mn | 3/2+# | ||
| 2p (70%) | 43Cr | ||||||||
| 46Fe | 26 | 20 | 46,00081(38)# | 9(4) мс [12(+4-3) мс] | β+ (>99,9%) | 46Mn | 0+ | ||
| β+, p (<.1%) | 45Cr | ||||||||
| 47Fe | 26 | 21 | 46,99289(28)# | 21,8(7) мс | β+ (>99,9%) | 47Mn | 7/2−# | ||
| β+, p (<.1%) | 46Cr | ||||||||
| 48Fe | 26 | 22 | 47,98050(8)# | 44(7) мс | β+ (96,41%) | 48Mn | 0+ | ||
| β+, p (3,59%) | 47Cr | ||||||||
| 49Fe | 26 | 23 | 48,97361(16)# | 70(3) мс | β+, p (52%) | 48Cr | (7/2−) | ||
| β+ (48%) | 49Mn | ||||||||
| 50Fe | 26 | 24 | 49,96299(6) | 155(11) мс | β+ (>99,9%) | 50Mn | 0+ | ||
| β+, p (<.1%) | 49Cr | ||||||||
| 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+ | ||
| β−, n (<.1%) | 65Co | ||||||||
| 67Fe | 26 | 41 | 66,95095(45) | 394(9) мс | β− (>99,9%) | 67Co | 1/2−# | ||
| β−, n (<.1%) | 66Co | ||||||||
| 67mFe | 367(3) кэВ | 64(17) мкс | (5/2−) | ||||||
| 68Fe | 26 | 42 | 67,95370(75) | 187(6) мс | β− (>99,9%) | 68Co | 0+ | ||
| β−, n | 67Co | ||||||||
| 69Fe | 26 | 43 | 68,95878(54)# | 109(9) мс | β− (>99,9%) | 69Co | 1/2−# | ||
| β−, n (<.1%) | 68Co | ||||||||
| 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. | |||||||||
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.