Eisenisotope

Natürliches Eisen ( _²⁶ Fe) besteht aus vier stabilen Isotopen : 5,85 % ^⁵⁴ Fe, 91,75 % ^⁵⁶ Fe, 2,12 % ^⁵⁷ Fe und 0,28 % ^⁵⁸ Fe. Es sind 28 Radioisotope und 8 Kernisomere bekannt, von denen ^⁶⁰ Fe (Halbwertszeit 2,62 Millionen Jahre) und ^⁵⁵ Fe (Halbwertszeit 2,7562 Jahre) die stabilsten sind .

Bisherige Arbeiten zur Messung der Isotopenzusammensetzung von Eisen konzentrierten sich hauptsächlich auf die Bestimmung von ^⁶⁰Fe-Variationen, die durch Prozesse im Zusammenhang mit der Nukleosynthese (z. B. Meteoritenstudien ) und der Erzbildung entstehen. In den letzten zehn Jahren ermöglichten Fortschritte in der Massenspektrometrie jedoch den Nachweis und die Quantifizierung kleinster, natürlich auftretender Schwankungen in den Verhältnissen der stabilen Eisenisotope . Ein Großteil dieser Forschung wurde von den Erd- und Planetenwissenschaften vorangetrieben , doch erste Anwendungen in biologischen und industriellen Systemen zeichnen sich bereits ab. ^{[ 4 ]}

^⁵⁶Fe ist das häufigste Eisenisotop. Es besitzt auch die geringste Masse pro Nukleon (930,412 MeV/c² ⁾ , jedoch nicht die höchste Kernbindungsenergie pro Nukleon ( Nickel-62 ). ^{[ 11 ]} Aufgrund der Nukleosynthese ist ^⁵⁶Fe jedoch ein häufigeres Endprodukt der Fusion in Supernovae , wo es hauptsächlich als ^⁵⁶Ni entsteht , welches anschließend zu ^{⁵⁶Co und dann zu} Eisen zerfällt. Daher ist ^⁵⁶Fe im Universum im Vergleich zu anderen schweren Elementen wie ⁶²Ni , ^⁵⁸Fe und ^⁶⁰Ni , die alle eine vergleichbar hohe Bindungsenergie aufweisen, häufiger .

^⁵⁷Fe findet aufgrund der geringen natürlichen Energievariation des 14,4 keV-Kernübergangs breite Anwendung in der Mößbauer-Spektroskopie und der verwandten kernresonanten Schwingungsspektroskopie . ^{[ 12 ]} Dieser Übergang wurde bekanntlich für die erste definitive Messung der Gravitationsrotverschiebung im Pound-Rebka-Experiment von 1960 genutzt . ^{[ 13 ]}

Eisen-60 hat eine Halbwertszeit von 2,62 Millionen Jahren ^{[ 14 ]} , man ging jedoch bis 2009 von einer Halbwertszeit von 1,5 Millionen Jahren aus. Es zerfällt durch Beta -Zerfall zu 60Co ^, welches dann mit der deutlich kürzeren Halbwertszeit von etwa 5 Jahren zu stabilem ^60Ni zerfällt .

In Phasen der Meteoriten Semarkona und Chervony Kut konnte eine Korrelation zwischen der erhöhten Konzentration von ^⁶⁰ Ni , dem Enkelisotop von ^⁶⁰ Fe, und der Häufigkeit der stabilen Eisenisotope festgestellt werden. Dies belegt die Existenz von ^⁶⁰ Fe zum Zeitpunkt der Entstehung des Sonnensystems. ^{[ 15 ]} Abhängig von seiner ursprünglichen Häufigkeit könnte die Energie aus dem Zerfall von ^{⁶⁰ Fe, zusammen mit der von ²⁶} Al , für das Wiederaufschmelzen und die Differenzierung von Asteroiden und Planetoiden nach ihrer Entstehung von Bedeutung gewesen sein . Diese Nickelhäufigkeiten in extraterrestrischen Materialien könnten zudem weitere Einblicke in den Ursprung des Sonnensystems und seine Frühgeschichte ermöglichen.

Lebendes (interstellares) Eisen-60 wurde erstmals 1999 in Tiefseesedimenten nachgewiesen. ^{[ 16 ]} Es handelt sich dabei um Tiefsee -Ferromangankrusten , die ständig wachsen und Eisen, Mangan und andere Elemente anreichern. ^{[ 17 ]} Eisen-60 wurde auch in fossilisierten Bakterien in Meeresbodensedimenten gefunden. ^{[ 18 ] [ 19 ]} Im Jahr 2019 entdeckten Forscher ^60Fe in der Antarktis . ^{[ 20 ]} In Tiefseesedimenten weist Eisen-60 zwei Konzentrationsmaxima auf: ein erstes vor 1,7–3,2 Millionen Jahren und ein zweites vor 6,5–8,7 Millionen Jahren. Diese Maxima stehen im Zusammenhang mit dem Durchgang des Sonnensystems durch die Lokale Blase und wahrscheinlich auch durch die Orion-Eridanus-Superblase . Diese Superblasen entstanden durch mehrere Supernovae . ^{[ 21 ]} Spuren von Eisen-60 wurden auch in Mondproben gefunden.

Die Entfernung zum Ursprung der Supernova lässt sich abschätzen, indem man die Menge an Eisen-60, die die Erde beim Durchqueren des expandierenden Supernova-Auswurfs auffängt, mit der Menge an Eisen-60 in Beziehung setzt. Dabei wird angenommen, dass sich das bei einer Supernova ausgestoßene Material gleichmäßig von seinem Ursprung als Kugel mit der Oberfläche 4πr² ausdehnt . Der von der Erde aufgefangene Anteil des Materials hängt von seiner Querschnittsfläche ( πR²) ^{ab .} 2 Erde ) während es sich durch die sich ausdehnenden Trümmer hindurchbewegt:

$${\displaystyle M_{\text{Abgefangener Anteil }}={\frac {\pi R_{\text{Erde }}^{2}}{4\pi r^{2}}}M_{ej}}$$

wobei M _{_ej} die Masse des ausgeworfenen Materials ist. Unter der Annahme, dass das aufgefangene Material gleichmäßig über die Erdoberfläche verteilt ist ( 4 πR ), 2 Erde Die Massenflächendichte ( Σ _ej ) des Supernova-Auswurfs auf der Erde beträgt:

$${\displaystyle \Sigma _{ej}={\frac {M_{\text{Abgefangener Anteil }}}{A_{\text{Oberfläche,Erde }}}}={\frac {M_{ej}}{16\pi r^{2}}}}$$

Die Anzahl der ^60Fe -Atome pro Flächeneinheit auf der Erde lässt sich abschätzen, wenn die typische Menge an ^60Fe bekannt ist, die bei einer Supernova ausgestoßen wird. Dies geschieht durch Division der Flächenmassendichte ( Σ _ej ) durch die Atommasse von ^60Fe .

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

Die Gleichung für N ⁶⁰ kann umgestellt werden, um die Entfernung zur Supernova zu ermitteln.

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

Nachfolgend wird eine Beispielrechnung für die Entfernung zum Ursprungspunkt der Supernova angegeben. Diese Berechnung verwendet spekulative Werte für die Oberflächendichte von terrestrischem ^{60Fe (} N ₆₀ ≈ 4 × 10 ¹¹ Atome/m ² ) und eine grobe Schätzung der Masse von ^60Fe , die von einer Supernova ausgestoßen wird (10 × 10 ⁻⁵  M _☉ ).

$${\displaystyle {\begin{aligned}r&={\sqrt {\frac {10^{-5}M_{\odot }}{16\pi \left(60m_{p}\right)N_{60}}}}\\r&=3\times 10^{18}m=100pc\end{aligned}}}$$

Es liegen komplexere Analysen vor, die den Fluss und die Ablagerung von ^60Fe sowie mögliche störende Hintergrundquellen berücksichtigen . ^{[ 22 ]}

Kobalt-60, das Zerfallsprodukt von Eisen-60, emittiert beim Zerfall Gammastrahlen mit Energien von 1,173 MeV und 1,332 MeV. Diese Linien sind seit Langem wichtige Ziele der Gammastrahlenastronomie und wurden vom Gammastrahlenobservatorium INTEGRAL nachgewiesen . Das Signal verläuft entlang der galaktischen Ebene und zeigt damit, dass die Synthese von Eisen- ⁶⁰ in unserer Galaxie stattfindet. Es ermöglicht zudem die Untersuchung der Elementproduktion in massereichen Sternen. ^{[ 23 ] [ 24 ]}

Tochterprodukte außer Eisen

• Isotope des Kobalts
• Manganisotope
• Isotope des Chroms
• Isotope von Vanadium

• JM Nielsen (1960). Die Radiochemie des Eisens (PDF) . National Academy of Sciences / National Research Council .