철 동위 원소

철 동위 원소(鐵同位元素, 영어: isotopes of iron)는 자연에서 4종으로 되어 있으며, 존재 비율로는 반감기가 3.1×10¹⁵⁰⁰년 이상인 ⁵⁴Fe가 5.845%, 안정 동위 원소인 ⁵⁶Fe가 91.754%, ⁵⁷Fe이 2.119%, ⁵⁸Fe는 0.282%이다. ⁶⁰Fe는 반감기가 262만년인 방사성 원소이다.

철 동위 원소 연구의 대부분은 핵합성(운석 연구)과 광석 형성에 의한 ⁶⁰Fe 연구가 대부분이지만, 최근 10년간의 연구 진보에 따라 다른 동위 원소의 세부적인 분석이 가능해졌다. 이 연구는 대부분 지구 과학에서 이루어지지만, 생물학 및 산업 연구에도 쓰이고 있다. 그리고, ⁵⁶Fe는 과학자들의 주목을 받고 있다. 이 동위 원소는 안정되고 핵분열과 핵융합 반응도 일으키지 않지만, 정확히 말하면 ⁶²Ni와 ⁵⁸Fe, ⁵⁶Fe 순으로 핵종이 안정하다. 하지만 니켈-62나 철-58은 니켈과 철의 동위원소들 중에서 차지하는 비율이 매우 적은데, 4배수로 무거운 원소를 생성하는 알파 과정의 특성 때문에 항성 핵합성 반응으로는 생성되기 어렵기 때문이다. 반면 철-56은 그 모체인 니켈-56이 규소 연소 반응을 통해 대량으로 생성되기 때문에 방사성 붕괴를 2번 거쳐 생성된 철-56은 우주 규모에서도 흔한 원소다.

철-54

철-54(⁵⁴Fe)는 반감기가 존재할 것으로 예측되지만 실제로 붕괴되는 모습은 관측되지 않았다. 따라서 계속 주시할 필요가 있는 원소이므로 관측안정동위원소 또는 주시안정동위원소라고 한다. 철-54는 어쩌면 안정 동위 원소들처럼 반감기가 존재하지 않고 영원히 존재할 수도 있다.

철-56

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철-56(⁵⁶Fe)은 철 동위 원소 중 가장 많이 차지하고 있으며, 일반적으로 가장 안정한 것으로 여겨진다. 또한, 이 원소는 항성의 핵융합 반응으로 만들어지는 원소 중 가장 마지막으로 생성되는 원소이다. 양성자 붕괴가 있다고 가정할 때, 그 반감기는 10¹⁵⁰⁰년이다.

철-57

철-57(⁵⁷Fe)은 규소-29에서 여러 차례 헬륨융합과정을 통해 생성된 원소이다. 규소-29에서 시작된 핵융합으로 생성된 원소들 중 철-57이 핵융합의 최종 종착지이다.

철-58

철-58(⁵⁸Fe)은 철 동위 원소 중 핵자간 결합 에너지가 가장 높지만 양이 매우 적다. 핵융합 과정에서는 철-54가 최종 생성되며 다음 생성물은 니켈-58이 된다. 따라서 철-58이 초신성 폭발의 R-과정을 통해 대부분이 생성되고 소량이 S-과정을 통해 생성된 원소이며 핵융합으로 인해 생성된 철-58은 매우 미량이다.

표

핵종 기호	Z(p)	N(n)	동위 원소 질량 (u)	반감기	붕괴 방식[1][n 1]	붕괴 생성물[n 2]	핵 스핀	전형적 동위 원소 구성비 (몰 분율)	자연적 구성비 변동 범위 (몰 분율)
	들뜬 에너지
45Fe	26	19	45.01458(24)#	1.89(49) ms	β+ (30%)	45Mn	3/2+#
					2p (70%)	43Cr
46Fe	26	20	46.00081(38)#	9(4) ms [12(+4-3) ms]	β+ (>99.9%)	46Mn	0+
					β+, p (<.1%)	45Cr
47Fe	26	21	46.99289(28)#	21.8(7) ms	β+ (>99.9%)	47Mn	7/2-#
					β+, p (<.1%)	46Cr
48Fe	26	22	47.98050(8)#	44(7) ms	β+ (96.41%)	48Mn	0+
					β+, p (3.59%)	47Cr
49Fe	26	23	48.97361(16)#	70(3) ms	β+, p (52%)	48Cr	(7/2-)
					β+ (48%)	49Mn
50Fe	26	24	49.96299(6)	155(11) ms	β+ (>99.9%)	50Mn	0+
					β+, p (<.1%)	49Cr
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)	관측상 안정[n 3]			0+	0.05845(35)L	0.05837-0.05861
54mFe	6526.9(6) keV			364(7) ns			10+
55Fe	26	29	54.9382934(7)	2.737(11) a	ε	55Mn	3/2-
56Fe[n 4]	26	30	55.9349375(7)	안정			0+	0.91754(36)	0.91742-0.91760
57Fe	26	31	56.9353940(7)	안정			1/2-	0.02119(10)	0.02116-0.02121
58Fe	26	32	57.9332756(8)	안정			0+	0.00282(4)	0.00281-0.00282
59Fe	26	33	58.9348755(8)	44.495(9) d	β-	59Co	3/2-
60Fe	26	34	59.934072(4)	2.6×106 a	β-	60Co	0+	미량
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+
					β-, n (<.1%)	65Co
67Fe	26	41	66.95095(45)	394(9) ms	β- (>99.9%)	67Co	1/2-#
					β-, n (<.1%)	66Co
67mFe	367(3) keV			64(17) µs			(5/2-)
68Fe	26	42	67.95370(75)	187(6) ms	β- (>99.9%)	68Co	0+
					β-, n	67Co
69Fe	26	43	68.95878(54)#	109(9) ms	β- (>99.9%)	69Co	1/2-#
					β-, n (<.1%)	68Co
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+

1. 약자:
   IT: 이성질핵 전이
2. 굵은 글꼴은 안정 동위 원소
3. 반감기 3.1×10¹⁵⁰⁰년의 β⁺β⁺ 붕괴를 통해 ⁵⁴Cr이 된다고 믿어진다.
4. 항성 핵합성의 최종 결과물. 모든 핵종 중 핵자당 질량이 가장 가볍다.

참조

• #으로 표시된 값은 모두가 순수하게 실험 값에서 계산된 것이 아니라 일부 체계적인 경향에서 도출된 추정치를 포함한다. 명확한 데이터를 얻을 수없는 핵 스핀에 대해서는 괄호 쓰기로 표기하고 있다.
• 숫자 끝에 괄호 쓰기로 표기하고 있는 것은, 그 값의 오차를 나타내고 있다. 오차 값은 동위 원소 구성 및 표준 원자 질량에 관해서는 IUPAC가 공표하는 오차로 표기하고, 그 이외의 값은 표준 편차를 표기하고 있다.

각주

1. http://www.nucleonica.net/unc.aspx