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:

${\displaystyle {\ce {^{58}Ni ->[+p,\ -\alpha] ^{55}Co -> ^{55}Fe}}}$.

Железо-56

Энергия связи в зависимости от количества нуклонов в ядре

Основная статья: 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.

1. Теоретически может претерпевать двойной электронный захват в ⁵⁴Cr.

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.