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
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+
|
|
|
- ↑ 약자:
IT: 이성질핵 전이
- ↑ 굵은 글꼴은 안정 동위 원소
- ↑ 반감기 3.1×101500년의 β+β+ 붕괴를 통해 54Cr이 된다고 믿어진다.
- ↑ 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
