철 동위 원소

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1. 개요
2. 철 동위 원소
3. 철 동위 원소의 생성
4. 철 동위 원소의 응용
참조

1. 개요

철 동위 원소는 철 원자의 다양한 형태를 의미하며, 각 형태는 중성자 수의 차이를 보인다. 철-54는 관측적으로 안정적인 동위 원소이며, 철-56은 가장 풍부하고 일반적으로 가장 안정적인 동위 원소로 별의 핵합성 반응을 통해 생성된다. 철-57은 뫼스바우어 분광법에 사용되며, 철-58은 초신성 폭발을 통해 생성되며 빈혈 치료 등에 활용될 수 있다. 철-60은 반감기가 260만 년인 방사성 동위 원소로, 태양계 형성 당시 존재했음을 보여주는 증거가 있으며, 초신성 연구에 활용된다.

2. 철 동위 원소

철은 원자 번호 26번의 화학 원소로, 다양한 동위 원소를 가지고 있다. 이 중 안정 동위 원소는 4종(⁵⁴Fe, ⁵⁶Fe, ⁵⁷Fe, ⁵⁸Fe)이며, 이 외에도 여러 방사성 동위 원소가 존재한다.⁵⁴Fe는 관측상 안정 동위 원소로, 붕괴할 것으로 예측되지만 아직 관측되지 않았다. ⁵⁶Fe은 가장 풍부한 철 동위 원소이며, 항성 핵융합 반응의 최종 생성물 중 하나이다. ⁵⁷Fe은 뫼스바우어 분광법에 널리 사용되며, ⁵⁸Fe은 핵자간 결합 에너지가 가장 높지만 양은 매우 적다.⁵⁷Fe은 규소-29에서 여러 차례 헬륨 융합 과정을 통해 생성되며, 이 과정에서 핵융합의 최종 종착지이다.⁵⁸Fe은 핵융합 과정에서 생성되는 ⁵⁴Fe의 다음 생성물인 니켈-58이 되기 때문에, 대부분 초신성 폭발의 R-과정을 통해 생성되고 소량만이 S-과정을 통해 생성된다. 핵융합으로 생성되는 ⁵⁸Fe은 매우 미량이다.

이 외에도 다양한 반감기와 붕괴 방식을 가진 방사성 철 동위 원소들이 존재한다.

2. 1. 안정 동위 원소

철-54(⁵⁴Fe)는 반감기가 존재할 것으로 예측되지만, 실제로 붕괴되는 모습은 관측되지 않았다. 따라서 계속 주시할 필요가 있는 원소이므로 관측안정동위원소 또는 주시안정동위원소라고 한다. 어쩌면 안정 동위 원소들처럼 반감기가 존재하지 않고 영원히 존재할 수도 있다.^[22]

철-56(⁵⁶Fe)은 철 동위 원소 중 가장 많은 양을 차지하고 있으며, 일반적으로 가장 안정한 것으로 여겨진다. 이 원소는 항성의 핵융합 반응으로 만들어지는 원소 중 가장 마지막으로 생성되는 원소이다. 양성자 붕괴가 있다고 가정할 때, 그 반감기는 10¹⁵⁰⁰년이다.^[23]

핵종	양성자 수	중성자 수	동위 원소 질량 (u)	핵 스핀	전형적 동위 원소 구성비 (몰 분율)	자연적 구성비 변동 범위 (몰 분율)
⁵⁴Fe	26	28	53.9396105(7)	0+	0.05845(35)	0.05837-0.05861
⁵⁶Fe	26	30	55.9349375(7)	0+	0.91754(36)	0.91742-0.91760
⁵⁷Fe	26	31	56.9353940(7)	1/2-	0.02119(10)	0.02116-0.02121
⁵⁸Fe	26	32	57.9332756(8)	0+	0.00282(4)	0.00281-0.00282

2. 2. 주요 방사성 동위 원소

철-54(⁵⁴Fe)는 반감기가 존재할 것으로 예측되지만, 실제로 붕괴되는 모습은 관측되지 않은 관측 안정 동위 원소이다. 이론적으로는 이중 전자 포획(εε)을 통해 ⁵⁴Cr으로 붕괴될 수 있으며, 이 경우 반감기는 4.4 × 10²⁰ 년 이상일 것으로 추정된다.^[1]⁵⁵Fe는 전자 포획을 통해 ⁵⁵Mn로 붕괴하며, 반감기는 2.737년이다.^[19]^[20]^[21]⁵⁹Fe는 β^- 붕괴를 통해 ⁵⁹Co로 붕괴하며, 반감기는 44.495일이다.^[19]^[20]^[21]⁶⁰Fe은 반감기가 260만 년인 철 동위 원소이다.^[9]^[10] 베타 붕괴를 통해 ⁶⁰Co으로 붕괴하며, 코발트-60은 약 5년의 반감기로 안정적인 ⁶⁰Ni으로 붕괴한다. 철-60의 흔적은 달 샘플에서 발견되었다.

운석 ''세마르코나''와 ''체르보니 쿠트''에서 ⁶⁰Fe의 손녀 동위 원소인 ⁶⁰Ni의 농도와 안정적인 철 동위 원소의 풍부함 사이에 상관관계가 발견되었는데, 이는 태양계 형성 당시 ⁶⁰Fe가 존재했다는 증거이다. ⁶⁰Fe의 붕괴로 방출된 에너지는 ²⁶Al 방사성 핵종의 붕괴로 방출된 에너지와 함께 46억 년 전 소행성의 형성 후 용융 및 행성 분화에 기여했을 것으로 추정된다.

해저 퇴적물에서 화석화된 박테리아에서 발견된 철-60은 약 200만 년 전에 태양계 근처에서 초신성이 있었음을 시사한다.^[11]^[12] 철-60은 800만 년 전의 퇴적물에서도 발견된다.^[13] 2019년, 연구자들은 남극에서 국소성간 구름과 관련된 성간 ⁶⁰Fe을 발견했다.^[14]

초신성 기원까지의 거리는 지구가 팽창하는 초신성의 방출물을 통과할 때 요격된 철-60의 양을 통해 추정할 수 있다. 초신성에서 방출된 ⁶⁰Fe의 전형적인 양을 알고 있다면, 지구에서 발견되는 단위 면적당 ⁶⁰Fe 원자의 수를 추정할 수 있다. 이를 통해 초신성까지의 거리를 계산할 수 있다.^[15]

철-60의 붕괴 생성물인 코발트-60은 붕괴될 때 1.173 MeV 및 1.333 MeV의 감마선을 방출한다. 이 감마선은 오랫동안 감마선 천문학의 중요한 대상이었으며, 감마선 관측소 INTEGRAL에 의해 감지되었다. 신호는 은하 평면을 추적하여 ⁶⁰Fe 합성이 우리 은하에서 진행 중이며, 대규모 별에서의 원소 생성을 탐구하고 있음을 보여준다.^[16]^[17]

핵종	반감기	붕괴 방식	붕괴 생성물
⁴⁵Fe	1.89(49) ms	β⁺ (30%), 2p (70%)	⁴⁵Mn, ⁴³Cr
⁴⁶Fe	9(4) ms	β⁺ (>99.9%), β⁺, p (<.1%)	⁴⁶Mn, ⁴⁵Cr
⁴⁷Fe	21.8(7) ms	β⁺ (>99.9%), β⁺, p (<.1%)	⁴⁷Mn, ⁴⁶Cr
⁴⁸Fe	44(7) ms	β⁺ (96.41%), β⁺, p (3.59%)	⁴⁸Mn, ⁴⁷Cr
⁴⁹Fe	70(3) ms	β⁺, p (52%), β⁺ (48%)	⁴⁸Cr, ⁴⁹Mn
⁵⁰Fe	155(11) ms	β⁺ (>99.9%), β⁺, p (<.1%)	⁵⁰Mn, ⁴⁹Cr
⁵¹Fe	305(5) ms	β⁺	⁵¹Mn
⁵²Fe	8.275(8) 시간	β⁺	⁵²Mn
⁵³Fe	8.51(2) 분	β⁺	⁵³Mn
⁵⁹Fe	44.495(9) 일	β^-	⁵⁹Co
⁶⁰Fe	2.6×10⁶ 년	β^-	⁶⁰Co
⁶¹Fe	5.98(6) 분	β^-	⁶¹Co
⁶²Fe	68(2) 초	β^-	⁶²Co
⁶³Fe	6.1(6) 초	β^-	⁶³Co
⁶⁴Fe	2.0(2) 초	β^-	⁶⁴Co
⁶⁵Fe	1.3(3) 초	β^-	⁶⁵Co
⁶⁶Fe	440(40) ms	β^- (>99.9%)	⁶⁶Co
⁶⁶Fe	440(40) ms	β^-, n (<.1%)	⁶⁵Co
⁶⁷Fe	394(9) ms	β^- (>99.9%)	⁶⁷Co
⁶⁷Fe	394(9) ms	β^-, n (<.1%)	⁶⁶Co
⁶⁸Fe	187(6) ms	β^- (>99.9%)	⁶⁸Co
⁶⁸Fe	187(6) ms	β^-, n	⁶⁷Co
⁶⁹Fe	109(9) ms	β^- (>99.9%)	⁶⁹Co
⁶⁹Fe	109(9) ms	β^-, n (<.1%)	⁶⁸Co
⁷⁰Fe	94(17) ms	β^-	⁷⁰Co
⁷¹Fe	30# ms [>300 ns]	β^-?	⁷¹Co
⁷²Fe	10# ms [>300 ns]	β^-?	⁷²Co

2. 3. 기타 동위 원소

철-54(⁵⁴Fe)는 반감기가 존재할 것으로 예측되지만, 실제로 붕괴되는 모습은 관측되지 않았다. 따라서 계속 주시할 필요가 있는 원소이므로 관측안정동위원소 또는 주시안정동위원소라고 한다. 어쩌면 안정 동위 원소들처럼 반감기가 존재하지 않고 영원히 존재할 수도 있다.^[22]

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

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-58은 초신성 폭발의 R-과정을 통해 대부분이 생성되고 소량이 S-과정을 통해 생성된 원소이며, 핵융합으로 인해 생성된 철-58은 매우 미량이다.

철 동위 원소
핵종 기호	Z(p)	N(n)	동위 원소 질량 (u)	반감기	붕괴 방식^[19]^[20]	붕괴 생성물^[21]	핵 스핀	전형적 동위 원소 구성비 (몰 분율)
⁴⁵Fe	26	19	45.01458(24)#	1.89(49) ms	β⁺ (30%)	⁴⁵Mn	3/2+#
⁴⁶Fe	26	20	46.00081(38)#	9(4) ms [12(+4-3) ms]	β⁺ (>99.9%)	⁴⁶Mn	0+
⁴⁷Fe	26	21	46.99289(28)#	21.8(7) ms	β⁺ (>99.9%)	⁴⁷Mn	7/2-#
⁴⁸Fe	26	22	47.98050(8)#	44(7) ms	β⁺ (96.41%)	⁴⁸Mn	0+
⁴⁹Fe	26	23	48.97361(16)#	70(3) ms	β⁺, p (52%)	⁴⁸Cr	(7/2-)
⁵⁰Fe	26	24	49.96299(6)	155(11) ms	β⁺ (>99.9%)	⁵⁰Mn	0+
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-
^54mFe	6526.9(6) keV			364(7) ns			10+
⁵⁵Fe	26	29	54.9382934(7)	2.737(11) a	ε	⁵⁵Mn	3/2-
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+
⁶⁷Fe	26	41	66.95095(45)	394(9) ms	β^- (>99.9%)	⁶⁷Co	1/2-#
^67mFe	367(3) keV			64(17) µs			(5/2-)
⁶⁸Fe	26	42	67.95370(75)	187(6) ms	β^- (>99.9%)	⁶⁸Co	0+
⁶⁹Fe	26	43	68.95878(54)#	109(9) ms	β^- (>99.9%)	⁶⁹Co	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+

3. 철 동위 원소의 생성

철-56(⁵⁶Fe)은 철 동위 원소 중 가장 많은 양을 차지하며, 항성 내부의 핵융합 반응으로 만들어지는 최종 원소이다. ⁵⁶Fe는 핵자당 결합 에너지가 가장 높은 원소는 아니지만, 핵융합 연쇄 반응의 종착점이기 때문에 우주에서 흔하게 발견된다. ⁵⁶Fe는 핵반응이 에너지적으로 불리해지는 지점을 나타내기 때문에, 무거운 별의 핵합성 반응에서 형성되는 가장 무거운 원소 중 하나이다. 이러한 핵합성 반응은 마그네슘, 규소, 황과 같은 가벼운 원소들이 융합하여 더 무거운 원소를 형성하는 과정으로, 최종적으로는 니켈-56(⁵⁶Ni)이 생성되고, 이는 다시 코발트-56(⁵⁶Co)을 거쳐 ⁵⁶Fe로 붕괴한다.^[4]

철-57(⁵⁷Fe)은 규소-29에서 여러 차례 헬륨 융합 과정을 거쳐 생성되는 원소이다. 규소-29에서 시작된 핵융합으로 생성된 원소들 중 철-57이 핵융합의 최종 단계이다.

철-58(⁵⁸Fe)은 철 동위 원소 중 핵자간 결합 에너지가 가장 높지만, 그 양은 매우 적다. 핵융합 과정에서는 철-54가 최종적으로 생성되며, 이후 니켈-58이 생성된다. 따라서 철-58은 대부분 초신성 폭발의 R-과정을 통해 생성되고, 소량은 S-과정을 통해 생성되며, 핵융합으로 인해 생성된 철-58은 매우 미미하다.

철-60(⁶⁰Fe)은 반감기가 260만 년인 철 동위 원소로, 베타 붕괴를 통해 코발트-60(⁶⁰Co)으로 붕괴한다. 코발트-60은 약 5년의 반감기를 거쳐 안정한 니켈-60(⁶⁰Ni)으로 붕괴한다. 달 샘플에서 철-60의 흔적이 발견되었다.^[9]^[10]

운석 ''세마르코나''와 ''체르보니 쿠트''에서는 ⁶⁰Ni의 농도와 안정적인 철 동위 원소의 풍부함 사이에 상관관계가 발견되었는데, 이는 태양계 형성 당시에 ⁶⁰Fe이 존재했다는 증거이다. ⁶⁰Fe의 붕괴로 방출된 에너지는 알루미늄-26(²⁶Al)의 붕괴 에너지와 함께 46억 년 전 소행성 형성 후 용융 및 행성 분화에 기여했을 것으로 추정된다. 외계 물질에 존재하는 ⁶⁰Ni의 풍부함은 태양계의 기원과 초기 역사에 대한 추가적인 통찰력을 제공할 수 있다.

해저 퇴적물에서 화석화된 박테리아에서 발견된 철-60은 약 200만 년 전 태양계 근처에서 초신성이 폭발했음을 시사한다.^[11]^[12] 철-60은 800만 년 전의 퇴적물에서도 발견된다.^[13] 2019년, 연구자들은 남극에서 국소성간 구름과 관련된 성간 ⁶⁰Fe을 발견했다.^[14]

초신성까지의 거리는 지구에 도달한 철-60의 양을 통해 추정할 수 있다. 초신성에서 방출된 물질이 균일하게 팽창한다고 가정할 때, 지구에서 발견되는 단위 면적당 ⁶⁰Fe 원자의 수를 계산하여 거리를 추정할 수 있다.

철-60의 붕괴 생성물인 코발트-60은 붕괴하면서 1.173 MeV 및 1.333 MeV의 감마선을 방출한다. 이 감마선은 감마선 천문학의 중요한 대상이었으며, 감마선 관측소 INTEGRAL에 의해 감지되었다. 이 신호는 은하 평면을 따라 ⁶⁰Fe 합성이 우리 은하에서 진행 중이며, 대규모 별에서의 원소 생성을 연구하는 데 중요한 역할을 한다.^[16]^[17]

4. 철 동위 원소의 응용

⁵⁷Fe는 핵 전이 에너지가 14.4 keV로 낮고 자연 변동성이 작아 뫼스바우어 분광법 및 관련 핵 공명 진동 분광법에 널리 사용된다.^[5] 이 전이는 1960년 파운드-레브카 실험에서 중력 적색편이를 처음으로 결정적으로 측정하는 데 사용되었다.^[6]

철-58은 빈혈 및 낮은 철분 흡수를 치료하고, 철분 조절 인간 유전자를 대사적으로 추적하며, 자연에서 원소를 추적하는 데 사용될 수 있다.^[7]^[8] 또한 철-58은 초중원소 합성에 도움을 주는 시약이다.^[8]

참조

_[1] 논문 New results on the double β decay of iron 1998
_[2] 논문 Mass spectrometry and natural variations of iron isotopes
_[3] 문서 Lowest mass per nucleon of all nuclides; End product of stellar [[nucleosynthesis]]
_[4] 논문 The atomic nuclide with the highest mean binding energy https://ui.adsabs.ha[...]
_[5] 웹사이트 Mossbauer Effect in Iron-57 http://hyperphysics.[...] Georgia State University 2009-10-13
_[6] 논문 Apparent weight of photons 1960-04-01
_[7] 웹사이트 Iron-58 Metal Isotope https://www.american[...] 2023-06-28
_[8] 웹사이트 Iron-58, Iron-58 Isotope, Enriched Iron-58, Iron-58 Metal https://www.buyisoto[...] 2023-06-28
_[9] 논문 New Measurement of the ⁶⁰Fe Half-Life https://www.dora.lib[...]
_[10] 웹사이트 Eisen mit langem Atem http://www.scienceti[...] 2009-08-27
_[11] 논문 Ancient bacteria store signs of supernova smattering https://cosmosmagazi[...] 2016-08-09
_[12] 논문 Time-resolved 2-million-year-old supernova activity discovered in Earth's microfossil record 2016-08-16
_[13] 논문 Fires may have given our evolution a kick-start https://www.newscien[...] 2017-10-14
_[14] 논문 Interstellar ⁶⁰Fe in Antarctica
_[15] 논문 Supernova Dust Evolution Probed by Deep-sea 60Fe Time History https://doi.org/10.3[...] 2023-04-20
_[16] 논문 Detection of γ-ray lines from interstellar 60Fe by the high resolution spectrometer SPI https://ui.adsabs.ha[...] 2005-04-01
_[17] 논문 Gamma-Ray Emission of 60Fe and 26Al Radioactivity in Our Galaxy 2020-02-01
_[18] 문서 Mass spectrometry and natural variations of iron isotopes
_[19] url http://www.nucleonic[...]
_[20] 문서 약자:
IT: [[이성질핵 전이]]
_[21] 문서 굵은 글꼴은 안정 동위 원소
_[22] 문서 반감기 3.1×10¹⁵⁰⁰년의 β⁺β⁺ 붕괴를 통해 '''⁵⁴Cr'''이 된다고 믿어진다.
_[23] 문서 [[항성 핵합성]]의 최종 결과물. 모든 핵종 중 핵자당 질량이 가장 가볍다.

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