Isótopos de hierro

Nuclidos con número atómico de 26 pero con diferentes números másicos

El hierro natural ( ₂₆ Fe) consta de cuatro isótopos estables : 5,845% de ⁵⁴ Fe (posiblemente radiactivo con una vida media superior a4,4 × 10 ²⁰ años), ^[4] 91,754% de ⁵⁶ Fe, 2,119% de ⁵⁷ Fe y 0,286% de ⁵⁸ Fe. Hay 24 isótopos radiactivos conocidos, los más estables de los cuales son ^{el 60} Fe (vida media de 2,6 millones de años) y ^{el 55} Fe (vida media de 2,7 años).

Gran parte del trabajo anterior sobre la medición de la composición isotópica del Fe se ha centrado en determinar las variaciones de ⁶⁰ Fe debidas a los procesos que acompañan a la nucleosíntesis (es decir, estudios de meteoritos ) y la formación de minerales. Sin embargo, en la última década, los avances en la tecnología de espectrometría de masas han permitido la detección y cuantificación de variaciones diminutas que ocurren naturalmente en las proporciones de los isótopos estables del hierro. Gran parte de este trabajo ha sido impulsado por las comunidades científicas planetarias y de la Tierra , aunque están comenzando a surgir aplicaciones a sistemas biológicos e industriales. ^[5]

Lista de isótopos

1. ^m Fe - Isómero nuclear excitado .
2. ( ) – La incertidumbre (1 σ ) se da de forma concisa entre paréntesis después de los últimos dígitos correspondientes.
3. # – Masa atómica marcada #: valor e incertidumbre derivados no de datos puramente experimentales, sino al menos en parte de tendencias de Mass Surface (TMS).
4. #: los valores marcados con # no se derivan puramente de datos experimentales, sino al menos en parte de las tendencias de los nucleidos vecinos (TNN).
5. Modos de descomposición:
6. Símbolo en negrita como hijo: el producto hijo es estable.
7. ( ) valor de giro: indica giro con argumentos de asignación débiles.
8. Se cree que se desintegra en β ⁺ β ⁺ a ⁵⁴ Cr con una vida media superior a 4,4 × 10 ²⁰ a ^[4]
9. Masa por nucleón más baja de todos los nucleidos; Producto final de la nucleosíntesis estelar.

• Las masas atómicas de los nucleidos estables ( ⁵⁴ Fe, ⁵⁶ Fe, ⁵⁷ Fe y ⁵⁸ Fe) vienen dadas por la evaluación de masa atómica AME2012. Los errores de una desviación estándar se dan entre paréntesis después de los últimos dígitos correspondientes. ^[6]

Hierro-54

^{El 54} Fe es observacionalmente estable, pero teóricamente puede descomponerse a ⁵⁴ Cr, con una vida media de más de4,4 × 10 ²⁰ años mediante captura de doble electrón ( εε ). ^[4]

Hierro-56

⁵⁶ Fe es el isótopo más abundante del hierro. También es el isótopo con menor masa por nucleón, 930,412 MeV/c ² , aunque no el isótopo con mayor energía de enlace nuclear por nucleón, que es el níquel-62 . ^[7] Sin embargo, debido a los detalles de cómo funciona la nucleosíntesis, ^{el 56} Fe es un punto final más común de las cadenas de fusión dentro de las supernovas , donde se produce principalmente como ⁵⁶ Ni. Por lo tanto, ^{el 56} Ni es más común en el universo en relación con otros metales , incluidos ^{el 62} Ni, ^{el 58} Fe y ^{el 60} Ni, todos los cuales tienen una energía de enlace muy alta.

La alta energía de enlace nuclear del ⁵⁶ Fe representa el punto en el que futuras reacciones nucleares se vuelven energéticamente desfavorables. Debido a esto, se encuentra entre los elementos más pesados ​​formados en reacciones de nucleosíntesis estelar en estrellas masivas. Estas reacciones fusionan elementos más ligeros como magnesio, silicio y azufre para formar elementos más pesados. Entre los elementos más pesados ​​formados se encuentra el 56Ni , que posteriormente se desintegra en 56Co y luego ^en 56Fe .

Hierro-57

^{El 57} Fe se utiliza ampliamente en la espectroscopia de Mössbauer y la espectroscopia vibracional de resonancia nuclear relacionada debido a la baja variación natural de la energía de la transición nuclear de 14,4 keV. ^[8] La transición se utilizó para realizar la primera medición definitiva del corrimiento al rojo gravitacional , en el experimento de Pound-Rebka de 1960 . ^[9]

Hierro-58

El hierro-58 se puede utilizar para combatir la anemia y la baja absorción de hierro, para rastrear metabólicamente los genes humanos que controlan el hierro y para rastrear elementos en la naturaleza. ^{[10] [11]} El hierro-58 también es un reactivo auxiliar en la síntesis de elementos superpesados. ^[11]

Hierro-60

El hierro-60 es un isótopo de hierro con una vida media de 2,6 millones de años, ^{[12] [13]} pero hasta 2009 se pensaba que tenía una vida media de 1,5 millones de años. Sufre desintegración beta a cobalto-60 , que luego se desintegra con una vida media de aproximadamente 5 años a níquel-60 estable. Se han encontrado trazas de hierro-60 en muestras lunares.

En las fases de los meteoritos Semarkona y Chervony Kut se pudo encontrar una correlación entre la concentración de ⁶⁰ Ni , el isótopo nieto del ^{60 Fe, y la abundancia de los isótopos estables de hierro, lo que evidencia la existencia de 60} Fe en ese momento. de formación del Sistema Solar. Posiblemente la energía liberada por la desintegración del ⁶⁰ Fe contribuyó, junto con la energía liberada por la desintegración del radionúclido ²⁶ Al , a la refundición y diferenciación de los asteroides tras su formación hace 4.600 millones de años. La abundancia de ⁶⁰ Ni presente en material extraterrestre también puede proporcionar más información sobre el origen del Sistema Solar y su historia temprana.

El hierro-60 encontrado en bacterias fosilizadas en sedimentos del fondo marino sugiere que hubo una supernova en las cercanías del Sistema Solar hace aproximadamente 2 millones de años. ^{[14] [15]} El hierro-60 también se encuentra en sedimentos de hace 8 millones de años. ^[16] En 2019, los investigadores encontraron ⁶⁰ Fe interestelar en la Antártida , que relacionan con la Nube Interestelar Local . ^[17]

La distancia a la supernova de origen se puede estimar relacionando la cantidad de hierro-60 interceptada cuando la Tierra pasa a través de los eyecciones de supernova en expansión. Suponiendo que el material expulsado en una supernova se expande uniformemente desde su origen como una esfera con un área de superficie de 4πr ² . La fracción del material interceptado por la Tierra depende de su área de sección transversal (πR ² _tierra ) cuando pasa a través de los escombros en expansión. Donde Mej _es la masa de material expulsado.

$${\displaystyle M_{\text{Fraction intercepted }}={\frac {\pi R_{\text{Earth }}^{2}}{4\pi r^{2}}}M_{ej}}$$

² _tierraej

$${\displaystyle \Sigma _{ej}={\frac {M_{\text{Fraction intercepted }}}{A_{\text{surface,Earth }}}}={\frac {M_{ej}}{16\pi r^{2}}}}$$

⁶⁰⁶⁰_ej⁶⁰

$${\displaystyle N_{60}=\left({\frac {M_{ej,60}/m_{60}}{16\pi r^{2}}}\right)}$$

₆₀

$${\displaystyle r={\sqrt {\frac {M_{ej,60}}{16\pi m_{60}N_{60}}}}}$$

⁶⁰₆₀^11260-5_☉

$${\displaystyle r={\sqrt {\frac {10^{-5}M_{\odot }}{16\pi \left(60m_{p}\right)N_{60}}}}}$$

$${\displaystyle r=3\times 10^{18}m=100pc}$$

flujo^60[18]

El cobalto-60, el producto de la desintegración del hierro-60, emite 1,173 MeV y 1,333 MeV a medida que se desintegra. Estas líneas de rayos gamma han sido durante mucho tiempo objetivos importantes para la astronomía de rayos gamma y han sido detectadas por el observatorio de rayos gamma INTEGRAL . La señal traza el plano galáctico , mostrando que la síntesis ^{de 60} Fe está en curso en nuestra galaxia y explorando la producción de elementos en estrellas masivas. ^{[19] [20]}

Referencias

1. Kondev, FG; Wang, M.; Huang, WJ; Naimi, S.; Audi, G. (2021). "La evaluación de propiedades nucleares NUBASE2020" (PDF) . Física China C. 45 (3): 030001. doi :10.1088/1674-1137/abddae.
2. "Pesos atómicos estándar: hierro". CIAAW . 1993.
3. Prohaska, Thomas; Irrgeher, Johanna; Benefield, Jacqueline; Böhlke, John K.; Chesson, Lesley A.; Coplen, Tyler B.; Ding, propinas; Dunn, Philip JH; Gröning, Manfred; Holden, Norman E.; Meijer, Harro AJ (4 de mayo de 2022). "Pesos atómicos estándar de los elementos 2021 (Informe técnico IUPAC)". Química Pura y Aplicada . doi :10.1515/pac-2019-0603. ISSN  1365-3075.
4. Bikit, yo.; Krmar, M.; Slivka, J.; Vesković, M.; Čonkić, Lj.; Aničin, I. (1998). "Nuevos resultados sobre la doble desintegración β del hierro". Revisión Física C. 58 (4): 2566–2567. Código bibliográfico : 1998PhRvC..58.2566B. doi : 10.1103/PhysRevC.58.2566.
5. N. Dauphas; O. Rouxel (2006). "Espectrometría de masas y variaciones naturales de isótopos de hierro". Reseñas de espectrometría de masas . 25 (4): 515–550. Código Bib : 2006MSRv...25..515D. doi :10.1002/mas.20078. PMID  16463281.
6. Wang, M.; Audi, G.; Wapstra, AH; Kondev, FG; MacCormick, M.; Xu, X.; Pfeiffer, B. (2012). "La evaluación de la masa atómica Ame2012". Física China C. 36 (12): 1603-2014. Código Bib :2012ChPhC..36....3M. doi :10.1088/1674-1137/36/12/003. hdl :11858/00-001M-0000-0010-23E8-5. S2CID  250839471.
7. Fewell, diputado (1995). "El nucleido atómico con mayor energía de enlace media". Revista Estadounidense de Física . 63 (7): 653. Código bibliográfico : 1995AmJPh..63..653F. doi :10.1119/1.17828.
8. R. Nave. "Efecto Mossbauer en Hierro-57". Hiperfísica . Universidad Estatal de Georgia . Consultado el 13 de octubre de 2009 .
9. Libra, RV; Rebka Jr. GA (1 de abril de 1960). "Peso aparente de los fotones". Cartas de revisión física . 4 (7): 337–341. Código bibliográfico : 1960PhRvL...4..337P. doi : 10.1103/PhysRevLett.4.337 .
10. "Isótopo del metal hierro-58". Elementos americanos . Consultado el 28 de junio de 2023 .
11. Vasiliev, Petr. "Hierro-58, isótopo de hierro-58, hierro-58 enriquecido, metal de hierro-58". www.buyisotope.com . Consultado el 28 de junio de 2023 .
12. Rugel, G.; Faestermann, T.; Knie, K.; Korschinek, G.; Poutivtsev, M.; Schumann, D.; Kivel, N.; Günther-Leopold, I.; Weinreich, R.; Wohlmuther, M. (2009). "Nueva medición de la vida media del 60Fe". Cartas de revisión física . 103 (7): 72502. Código bibliográfico : 2009PhRvL.103g2502R. doi : 10.1103/PhysRevLett.103.072502. PMID  19792637.
13. "Eisen mit langem Atem". ticker científico . 27 de agosto de 2009. Archivado desde el original el 3 de febrero de 2018 . Consultado el 22 de mayo de 2010 .
14. Belinda Smith (9 de agosto de 2016). "Las bacterias antiguas almacenan signos de supernovas". Cosmos .
15. Pedro Luis; et al. (16 de agosto de 2016). "Actividad de supernova de 2 millones de años resuelta en el tiempo descubierta en el registro de microfósiles de la Tierra". PNAS . 113 (33): 9232–9237. arXiv : 1710.09573 . Código Bib : 2016PNAS..113.9232L. doi : 10.1073/pnas.1601040113 . PMC 4995991 . PMID  27503888. 
16. Colin Barras (14 de octubre de 2017). "Los incendios pueden haber dado un impulso a nuestra evolución". Científico nuevo . 236 (3147): 7. Bibcode : 2017NewSc.236....7B. doi :10.1016/S0262-4079(17)31997-8.
17. Koll, Dominik; et., al. (2019). "Interstellar ⁶⁰ Fe en la Antártida". Cartas de revisión física . 123 (7): 072701. Código bibliográfico : 2019PhRvL.123g2701K. doi : 10.1103/PhysRevLett.123.072701. hdl : 1885/298253 . PMID  31491090. S2CID  201868513.
18. Ertel, Adrienne F.; Freír, Brian J.; Campos, Brian D.; Ellis, John (20 de abril de 2023). "Evolución del polvo de supernova investigada por la historia temporal de 60Fe en aguas profundas". La revista astrofísica . 947 (2): 58–83 - a través del Instituto de Física (IOP).
19. Harris, MJ; Knödlseder, J.; Jean, P.; Cisana, E.; Diehl, R.; Lichti, GG; Roques, J.-P.; Schanne, S.; Weidenspointner, G. (1 de abril de 2005). "Detección de líneas de rayos γ del 60Fe interestelar mediante el espectrómetro de alta resolución SPI". Astronomía y Astrofísica . 433 (3): L49-L52. arXiv : astro-ph/0502219 . Código Bib : 2005A y A...433L..49H. doi :10.1051/0004-6361:200500093. ISSN  0004-6361.
20. Wang, W.; Siegert, T.; Dai, ZG; Diehl, R.; Greiner, J.; Heger, A.; Krause, M.; Lang, M.; Pleintinger, MMM; Zhang, XL (1 de febrero de 2020). "Emisión de rayos gamma de radiactividad 60Fe y 26Al en nuestra galaxia". La revista astrofísica . 889 (2): 169. arXiv : 1912.07874 . Código Bib : 2020ApJ...889..169W. doi : 10.3847/1538-4357/ab6336 . ISSN  0004-637X.

Masas de isótopos de:

• Audi, Georges; Bersillon, Olivier; Blachot, Jean; Wapstra, Aaldert Hendrik (2003), "La evaluación NUBASE de las propiedades nucleares y de desintegración", Nuclear Physics A , 729 : 3–128, Bibcode :2003NuPhA.729....3A, doi :10.1016/j.nuclphysa.2003.11. 001

Composiciones isotópicas y masas atómicas estándar de:

• de Laeter, John Robert ; Böhlke, John Karl; De Bièvre, Paul; Hidaka, Hiroshi; Peiser, H. Steffen; Rosman, Kevin JR; Taylor, Philip DP (2003). "Pesos atómicos de los elementos. Revisión 2000 (Informe técnico de la IUPAC)". Química Pura y Aplicada . 75 (6): 683–800. doi : 10.1351/pac200375060683 .
• Wieser, Michael E. (2006). "Pesos atómicos de los elementos 2005 (Informe técnico IUPAC)". Química Pura y Aplicada . 78 (11): 2051-2066. doi : 10.1351/pac200678112051 .
• "Noticias y avisos: pesos atómicos estándar revisados". Unión internacional de Química Pura Aplicada . 19 de octubre de 2005.

Datos de vida media, espín e isómeros seleccionados de:

• Audi, Georges; Bersillon, Olivier; Blachot, Jean; Wapstra, Aaldert Hendrik (2003), "La evaluación NUBASE de las propiedades nucleares y de desintegración", Nuclear Physics A , 729 : 3–128, Bibcode :2003NuPhA.729....3A, doi :10.1016/j.nuclphysa.2003.11. 001
• Centro Nacional de Datos Nucleares . "Base de datos NuDat 2.x". Laboratorio Nacional de Brookhaven .
• Holden, Norman E. (2004). "11. Tabla de los Isótopos". En Lide, David R. (ed.). Manual CRC de Química y Física (85ª ed.). Boca Ratón, Florida : CRC Press . ISBN 978-0-8493-0485-9.

Otras lecturas

• JM Nielsen (1960). La radioquímica del hierro (PDF) . Academia Nacional de Ciencias / Consejo Nacional de Investigaciones .