Izotopi željeza

Vrijeme poluraspada radioaktivnih izotopa ili radionuklida. Treba zapaziti da se teoretska linija za stabilne isotope Z = N (Z – atomski broj i N - broj neutrona), razdvaja od stvarnog odnosa atomskog broja i neutrona, što znači da se s povećanjem atomskog broja, povećava i nestabilnost atomskih jezgri.

Željezo-57 se često koristi u Mössbauerovoj spektroskopiji.

Izotopi željeza koji se javljaju u prirodi su četiri: željezo-54 (5,9%), željezo-56 (91,72%), željezo-57 (2,1%) i željezo-58 (0,28%), a ostali su radioaktivni s kratkim vremenom poluraspada, osim izotopa željezo-60 (t_1/2 = 3 x 10⁵ godina). Izotop željezo-56 poznat je kao nuklid s najstabilnijom jezgrom, jer ima najveću nuklearnu energiju vezanja.

Nukleosinteza zvijezda

Danas je općenito prihvaćeno da zvijezde nastaju gravitacijskim sažimanjem međuzvjezdanih oblaka plina i prašine, pri čemu se gravitacijska energija pretvara u toplinu, koja se dijelom oslobađa u obliku elektromagnetskog zračenja. U početnoj fazi razvoja zvijezde su vrlo nestabilne. Kada se temperatura i gustoća plina u jezgri zvijezde dovoljno povećaju, započinju termonuklearne reakcije - fuzija vodika u helij. Oslobođena energija zaustavlja daljnje sažimanje zvijezde (tlak plina i zračenja uravnoteže gravitacijsku silu). Zvijezda postaje stabilna i dolazi na glavni niz, gdje će proboraviti najveći dio svog aktivnog života. Kada zvijezda istroši vodik iz svoje jezgre, jezgra se, zbog gravitacije, opet počinje sažimati. Ako se sažimanjem razvije dovoljna temperatura, započinje novi ciklus termonuklearnih reakcija: nuklearna fuzija helija u ugljik. Ponovno dolazi do ravnoteže. Zvijezda dolazi u fazu crvenog diva. Kada istroši helij može se nastaviti sličan scenarij: daljnje sažimanje jezgre i fuzija ugljika u teže elemente, sve do željeza, koje ima najveću nuklearnu energiju vezanja. U ovim procesima bitnu ulogu igra masa zvijezde. O njoj ovisi kolika će se temperatura razviti u jezgri zvijezde.^[1]

Nukleosinteza u jezgri zvijezde završava stvaranjem željeza. Teži elementi od željeza nastaju u kataklizmičkim procesima kao što je eksplozija supernove. Samo zvijezde velikih masa, u konačnici svojeg razvoja mogu, postati supernove.

Željezo-54

Željezo-54 je stabilan izotop željeza, iako postoji teorija da on nastaje radioaktivnim raspadom kroma-54, koji ima vrijeme poluraspada 3,1 x 10²², a raspad nastaje kao dvostruki elektronski uhvat (2β⁺).

Željezo-56

Željezo-56 je stabilan izotop željeza, s najmanjom masom po nukleonu (930,412 MeV/c²), iako nema i najveću nuklearnu energiju vezanja (nikal-62). Ipak, zbog same prirode nukleosinteze zvijezda, željezo-56 postoji u većoj količini u svemiru od izotopa koji imaju veću nuklearnu energiju vezanja: nikal-62, željezo-58 i nikal-60.^[2]

Željezo-57

Željezo-57 je stabilan izotop željeza, koji se često koristi u Mössbauerovoj spektroskopiji zbog malih promjena energije nuklearnih pretvorbi (14,4 keV).^[3]

Željezo-60

Željezo-60 je radioaktivni izotop željeza, s vremenom poluraspada 2,6 milijuna godina (do 2009. se smatralo da je vrijeme poluraspada 1,5 milijuna godina). Nastaje beta raspadom kobalta-60. Kod ispitivanja meteorita Semarkona i Chervony Kut, prema odnosu koncentracija izotopa željezo-60 i nikla-60, došlo se do zaključka da je izotop željezo-60 bio prisutan u vrijeme postanka Sunčevog sustava. Pretpostavlja se da je energija koja se oslobađala kod radioaktivnog raspada željeza-60 i aluminija-26 doprinijela stvaranju asteroida prije oko 4,6 milijarde godina.

Popis izotopa željeza

Nuklidi simbol	Z(p)	N(n)	masa izotopa (u)	Vrijeme poluraspada	Način radioaktivnog raspada^[4]^{[n 1]}	Krajnji izotop(i)^{[n 2]}	Nuklearni spin	Primjer udjela izotopa (molni udio)	Udio u prirodi (molni udio)
Nuklidi simbol	Energija pobude			Vrijeme poluraspada	Način radioaktivnog raspada^[4]^{[n 1]}	Krajnji izotop(i)^{[n 2]}	Nuklearni spin	Primjer udjela izotopa (molni udio)	Udio u prirodi (molni udio)
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 (<.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 (<.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 (<.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	IT	⁵³Fe	19/2-
⁵⁴Fe	26	28	53,9396105(7)	Stabilan^{[n 3]}			0+	0,05845(35)	0,05837-0.05861
^54mFe	6526,9(6) keV			364(7) ns			10+
⁵⁵Fe	26	29	54,9382934(7)	2,737(11) godina	EC	⁵⁵Mn	3/2-
⁵⁶Fe^{[n 4]}	26	30	55,9349375(7)	Stabilan			0+	0,91754(36)	0,91742-0.91760
⁵⁷Fe	26	31	56,9353940(7)	Stabilan			1/2-	0,02119(10)	0,02116-0,02121
⁵⁸Fe	26	32	57,9332756(8)	Stabilan			0+	0,00282(4)	0,00281-0,00282
⁵⁹Fe	26	33	58,9348755(8)	44,495(9) dana	β^-	⁵⁹Co	3/2-
⁶⁰Fe	26	34	59,934072(4)	2,6×10⁶ godina	β^-	⁶⁰Co	0+	U tragovima
⁶¹Fe	26	35	60,936745(21)	5,98(6) minuta	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^-, neutronska emisija (<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 (<.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+

↑ Kratice:
EC: Elektronski uhvat
IT: Izomerička tranzicija
↑ Podebljano je za stabilne izotope
↑ Vjeruje se da ostvaruje radioaktivni raspad β⁺β⁺ u ⁵⁴Cr s vremenom poluraspada preko 3,1×10²² godina
↑ Najmanja atomska masa po nukleonu od svid nuklida; Krajnji element zvjezdane nukleosinteze

Bilješke:

Vrijednosti označene s # nisu u potpunosti dobivene iz eksperimentalnih podataka, ali teže tim vrijednostima. Spinovi sa slabom raspodjelom su zatvoreni u okrugle zagrade.
Zadnje vrijednosti brojeva koji odražavaju neizvjesnost se nalaze u okruglim zagradama. Vrijednosti neizvjesnosti označuju standardno odstupanje, osim udjela izotopa i relativnih atomskih masa, koje prema IUPAC-u imaju još manju neizvjesnost.

Izvori

↑ [1] "ŽELJEZO, Fe", www.pse.pbf.hr, 2011.
↑ Fewell M. P.: "The atomic nuclide with the highest mean binding energy", American Journal of Physics, [2]^{[neaktivna poveznica]} 2011.
↑ R. Nave: "Mossbauer Effect in Iron-57", [3], publisher=Georgia State University, 2009.
↑ http://www.nucleonica.net/unc.aspx

[5] Kratice:
EC: Elektronski uhvat
IT: Izomerička tranzicija

[6] Podebljano je za stabilne izotope

[7] Vjeruje se da ostvaruje radioaktivni raspad β⁺β⁺ u ⁵⁴Cr s vremenom poluraspada preko 3,1×10²² godina

[8] Najmanja atomska masa po nukleonu od svid nuklida; Krajnji element zvjezdane nukleosinteze

[1] [1] "ŽELJEZO, Fe", www.pse.pbf.hr, 2011.

[2] Fewell M. P.: "The atomic nuclide with the highest mean binding energy", American Journal of Physics, [2]^{[neaktivna poveznica]} 2011.

[3] R. Nave: "Mossbauer Effect in Iron-57", [3], publisher=Georgia State University, 2009.

[4] ttp://www.nucleonica.net/unc.aspx

[1]

[2]

[3]

[4]

[n 1]

[n 2]

[n 3]

[n 4]