鉄の同位体

天然の鉄(Fe)は4種の同位体からなり、その存在比は、半減期3.1×10²²年以上の⁵⁴Feが5.845%、安定同位体の⁵⁶Feが91.754%、⁵⁷Feが2.119%、⁵⁸Feが0.282%である。⁶⁰Feは半減期が260万年の消滅放射性核種である。ただし、⁶⁰Feは2009年まで半減期が150万年とされていた。

鉄の同位体構成を計測する過去の研究の多くは、宇宙の元素合成（隕石研究）と鉱床形成に起因する⁶⁰Feの変化の測定に集中したが、最近10年間の質量分析技術の進歩によって、鉄の安定同位体比の微小な割合変化を検出・定量化することが可能になった。この研究の多くは地球惑星科学分野でなされているが、生物学や産業システムでの応用もされ始めている^[1]。

⁵⁶Feは核子当たりの質量が最も小さい原子である。そのため、最も安定な原子核であり核分裂反応も核融合もせずエネルギーを放出しないと誤解されるが、核子当たりの結合エネルギーが最大となるのは⁶²Niと⁵⁸Feの2核種である。しかし、⁵⁶Feは核反応において軽い核種から容易に作り出すことができるため、大質量星内部の元素合成の終点であり、宇宙空間では他の金属と比較してもより一般的である。

隕石SemarkonaとChervony Kut中の⁶⁰Ni（⁶⁰Feの崩壊生成物）と鉄の安定同位体の存在度の相関から、太陽系形成時の⁶⁰Feの存在が明らかになった。おそらく微惑星の形成時、⁶⁰Feの崩壊熱は²⁶Alの崩壊熱とともに、微惑星の再溶融と分化に寄与したものと考えられる。

安定同位体のうち⁵⁷Feだけが核スピン(-1/2)を有する。このため、⁵⁷Feはメスバウアー効果の試料として最も用いられる。⁵⁹Fe（半減期44.495日）は、鉄動態検査に用いられている。

一覧

同位体核種	Z(p)	N(n)	同位体質量 (u)	半減期	核スピン数	天然存在比	天然存在比 (範囲)
同位体核種	励起エネルギー			半減期	核スピン数	天然存在比	天然存在比 (範囲)
⁴⁵Fe	26	19	45.01458(24)#	4.9(15) ms [3.8(+20-8) ms]	3/2+#
⁴⁶Fe	26	20	46.00081(38)#	9(4) ms [12(+4-3) ms]	0+
⁴⁷Fe	26	21	46.99289(28)#	21.8(7) ms	7/2-#
⁴⁸Fe	26	22	47.98050(8)#	44(7) ms	0+
⁴⁹Fe	26	23	48.97361(16)#	70(3) ms	(7/2-)
⁵⁰Fe	26	24	49.96299(6)	155(11) ms	0+
⁵¹Fe	26	25	50.956820(16)	305(5) ms	5/2-
⁵²Fe	26	26	51.948114(7)	8.275(8) h	0+
^52mFe	6.81(13) MeV			45.9(6) s	(12+)#
⁵³Fe	26	27	52.9453079(19)	8.51(2) min	7/2-
^53mFe	3040.4(3) keV			2.526(24) min	19/2-
⁵⁴Fe	26	28	53.9396105(7)	STABLE (>3.1×10²² a)	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) a	3/2-
⁵⁶Fe	26	30	55.9349375(7)	STABLE	0+	0.91754(36)	0.91742-0.91760
⁵⁷Fe	26	31	56.9353940(7)	STABLE	1/2-	0.02119(10)	0.02116-0.02121
⁵⁸Fe	26	32	57.9332756(8)	STABLE	0+	0.00282(4)	0.00281-0.00282
⁵⁹Fe	26	33	58.9348755(8)	44.495(9) d	3/2-
⁶⁰Fe	26	34	59.934072(4)	2.6(3)E+6 a	0+
⁶¹Fe	26	35	60.936745(21)	5.98(6) min	3/2-,5/2-
^61mFe	861(3) keV			250(10) ns	9/2+#
⁶²Fe	26	36	61.936767(16)	68(2) s	0+
⁶³Fe	26	37	62.94037(18)	6.1(6) s	(5/2)-
⁶⁴Fe	26	38	63.9412(3)	2.0(2) s	0+
⁶⁵Fe	26	39	64.94538(26)	1.3(3) s	1/2-#
^65mFe	364(3) keV			430(130) ns	(5/2-)
⁶⁶Fe	26	40	65.94678(32)	440(40) ms	0+
⁶⁷Fe	26	41	66.95095(45)	394(9) ms	1/2-#
^67mFe	367(3) keV			64(17) µs	(5/2-)
⁶⁸Fe	26	42	67.95370(75)	187(6) ms	0+
⁶⁹Fe	26	43	68.95878(54)#	109(9) ms	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+

#でマークされた値は、全てが純粋に実験値から算出されたものではなく、一部体系的な傾向から導き出された推定値を含んでいる。明確なデータが得られていない核スピンに関しては、かっこ書きで表記している。
数値の最後にかっこ書きで表記しているのは、その値の誤差を示している。誤差の値は、同位体の構成と標準の原子質量に関しては、IUPACが公表する誤差で表記しており、それ以外の値は、標準偏差を表記している。

脚注

^ Dauphas, N. & Rouxel, O. 2006. Mass spectrometry and natural variations of iron isotopes. Mass Spectrometry Reviews, 25, 515-550

参考文献

Isotope masses from Ame2003 Atomic Mass Evaluation by G. Audi, A.H. Wapstra, C. Thibault, J. Blachot and O. Bersillon in Nuclear Physics A729 (2003).
Isotopic compositions and standard atomic masses from Atomic weights of the elements. Review 2000 (IUPAC Technical Report). Pure Appl. Chem. Vol. 75, No. 6, pp. 683-800, (2003) and Atomic Weights Revised (2005).
Half-life, spin, and isomer data selected from these sources. Editing notes on this article's talk page.
- Audi, Bersillon, Blachot, Wapstra. The Nubase2003 evaluation of nuclear and decay properties, Nuc. Phys. A 729, pp. 3-128 (2003).
- National Nuclear Data Center, Brookhaven National Laboratory. Information extracted from the NuDat 2.1 database (retrieved Sept. 2005).
- David R. Lide (ed.), Norman E. Holden in CRC Handbook of Chemistry and Physics, 85th Edition, online version. CRC Press. Boca Raton, Florida (2005). Section 11, Table of the Isotopes.

[1] Dauphas, N. & Rouxel, O. 2006. Mass spectrometry and natural variations of iron isotopes. Mass Spectrometry Reviews, 25, 515-550

[1]