Isotopes du fer

Le fer (Fe) possède 28 isotopes connus, de nombre de masse variant de 45 à 72, ainsi que six isomères nucléaires. Parmi ces isotopes, quatre sont stables, 54Fe, 56Fe, 57Fe et 58Fe. L'isotope 56Fe est largement le plus abondant, suivi de 54Fe (qui est soupçonné d'être très faiblement radioactif, avec une demi-vie supérieure à 3,1 × 1022 années). La masse atomique standard du fer est de 55,845(2) u.

Le plus stable des radioisotopes du fer est 60Fe avec une demi-vie de 2,6 millions d'années, suivi de 55Fe (2,7 années), 59Fe (un peu moins de 44,5 jours) et de 52Fe (8,5 heures). Tous les autres isotopes ont une demi-vie inférieure à 10 minutes et pour la plupart d'entre eux inférieure à la minute. Les isotopes plus légers que les isotopes stables se désintègrent principalement par émission de positron (β+) en isotopes du manganèse, sauf certains isotopes très légers qui peuvent se désintégrer aussi, voire majoritairement, par émission de positron suivie d'une émission de proton en isotopes du chrome. Le plus légers d'entre eux, 45Fe, se désintègre lui principalement (à 70 %) par double émission de proton en 43Cr. Les isotopes plus lourds que les isotopes stables principalement par émission β− en isotopes du cobalt. 55Fe se désintègre lui par capture électronique en 55Mn.

Isotopes notables

Fer naturel

Le fer naturel est constitué des quatre isotopes stables 54Fe, 56Fe, 57Fe et 58Fe, et de très faibles traces de 60Fe retrouvées dans le plancher océanique.

Isotope Abondance

(pourcentage molaire)

 Gamme de variations
54Fe 5,845 (35) % 5,837 - 5,861
56Fe 91,754 (36) % 91,742 - 91,760
57Fe 2,119 (10) % 2,116 - 2,121
58Fe 0,282 (4) % 0,281 - 0,282
60Fe traces

Fer 54

Le fer 54 (54Fe) est l'isotope du fer dont le noyau est constitué de 26 protons et de 28 neutrons. Il est observé stable, mais théoriquement, il devrait se désintégrer par double émission de positron (2β+) en 54Cr, avec une demi-vie supérieure à 3,1 × 1022 années.

Fer 55

Le fer 55 (55Fe) est l'isotope du fer dont le noyau est constitué de 26 protons et de 29 neutrons. C'est un radioisotope qui se désintègre par capture électronique en manganèse 55 avec une demi-vie de 2,737 années. C'est un émetteur de rayons X, utilisé comme source de rayons X dans diverses techniques d'analyse scientifique, comme la diffraction aux rayons X. C'est aussi une source en électrons Auger, émis durant la désintégration.

Fer 56

Le fer 56 (56Fe) est l'isotope du fer dont le noyau est constitué de 26 protons et de 30 neutrons. C'est l'isotope avec la plus faible masse par nucléon, 930,412 MeV/c2, même si ce n'est pas l'isotope avec la plus forte énergie de liaison nucléaire par nucléon, qui est le nickel 62[1]. Cependant, du fait des mécanismes de la nucléosynthèse stellaire, 56Fe est le composé terminal le plus courant issu des chaînes de fusion des étoiles extrêmement massives et est par conséquent plus abondant dans l'Univers que d'autres « métaux », incluant 62Ni, 58Fe et 60Ni, ayant tous aussi de très fortes énergies de liaison.

Fer 57

Le fer 57 (57Fe) est l'isotope du fer dont le noyau est constitué de 26 protons et de 31 neutrons. C'est un isotope stable, couramment utilisé en spectroscopie Mössbauer du fait de la faible variation naturelle en énergie d'une transition nucléaire à 14,4 keV[2].

Fer 60

Le fer 60 (60Fe) est l'isotope du fer dont le noyau est constitué de 26 protons et de 34 neutrons. C'est un radioisotope avec une demi-vie de 2,6 millions d'années, alors qu'on croyait qu'elle était de 1,5 million d'années jusqu'en 2009[3],[4]. Il se désintègre par émission β− en cobalt 60.

Une corrélation, dans la composition des météorites Semarkona et Chervony Kut, entre la concentration en 60Ni, l'isotope-« petit-fils » de 60Fe, et l'abondance en isotopes stables du fer présents, serait une preuve de l'existence de 60Fe à l'époque de la formation du système solaire. Éventuellement, l'énergie libérée lors de la désintégration de 60Fe aurait contribué, avec celle libérée par la désintégration de l'isotope 26Al, à la refusion et à la différenciation d'astéroïdes après leur formation il y a 4,6 milliards d'années. L'abondance en 60Ni dans les matériaux extraterrestres peut également fournir d'autres renseignements sur l'origine du système solaire et son histoire primitive.

Du fer 60 a également été trouvé dans le plancher océanique[5],[6], preuve étant donné sa demi-vie courte à l'échelle géologique d'un apport de fer 60 par plusieurs supernovas proches (moins de 300 années-lumière de la Terre) datant d'il y a moins de 10 millions d'années.

Table des isotopes
Symbole
de l'isotope		 Z (p) N (n) Masse isotopique (u) Demi-vie Mode(s) de
désintégration[7],[n 1]		 Isotope(s)

fils[n 2]

 Spin

nucléaire

Énergie d'excitation
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 (< 0,1 %) 45Cr
47Fe 26 21 46,99289(28)# 21,8(7) ms β+ (>99,9 %) 47Mn 7/2-#
β+, p (< 0,1 %) 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 (< 0,1 %) 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 TI 53Fe 19/2-
54Fe 26 28 53,9396105(7) Observé stable[n 3] 0+
54mFe 6526,9(6) keV 364(7) ns 10+
55Fe 26 29 54,9382934(7) 2,737(11) a CE 55Mn 3/2-
56Fe[n 4] 26 30 55,9349375(7) Stable 0+
57Fe 26 31 56,9353940(7) Stable 1/2-
58Fe 26 32 57,9332756(8) Stable 0+
59Fe 26 33 58,9348755(8) 44,495(9) j β− 59Co 3/2-
60Fe 26 34 59,934072(4) 2,6 × 106 a β− 60Co 0+
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 (< 0,1 %) 65Co
67Fe 26 41 66,95095(45) 394(9) ms β− (>99,9 %) 67Co 1/2-#
β−, n (< 0,1 %) 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 (< 0,1 %) 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. Abréviations :
    CE : capture électronique ;
    TI : transition isomérique.
  2. Isotopes stables en gras, gras et italique ceux stables à notre échelle de temps.
  3. Soupçonné de se désintégrer par double β+ en 54Cr avec une demi-vie supérieure à 3,1 × 1022 années.
  4. Plus petite masse par nucléon de tous les nucléides. Produit terminal de la nucléosynthèse stellaire.

Remarques
  • Les valeurs marquées # ne sont pas purement dérivées des données expérimentales, mais aussi au moins en partie à partir des tendances systématiques. Les spins avec des arguments d'affectation faibles sont entre parenthèses.
  • Les incertitudes sont données de façon concise entre parenthèses après la décimale correspondante. Les valeurs d'incertitude dénotent un écart-type, à l'exception de la composition isotopique et de la masse atomique standard de l'IUPAC qui utilisent des incertitudes élargies[8].
  • Masses des isotopes données par la Commission sur les Symboles, les Unités, la Nomenclature, les Masses atomiques et les Constantes fondamentales (SUNAMCO) de l'IUPAP.
  • Abondances isotopiques données par la Commission des Abondances isotopiques et des Poids atomiques de l'IUPAC.

Notes et références
  1. Fewell, M. P.. The atomic nuclide with the highest mean binding energy. American Journal of Physics 63 (7): 653-58. . URL:http://adsabs.harvard.edu/abs/1995AmJPh..63..653F. Accessed: 2011-03-22. (Archived by WebCite® at https://www.webcitation.org/5xNHry2gq)
  2. R. Nave, « Mossbauer Effect in Iron-57 », HyperPhysics, Georgia State University (consulté le )
  3. « New Measurement of the 60Fe Half-Life », Physical Review Letters, vol. 103,‎ , p. 72502 (DOI 10.1103/PhysRevLett.103.072502, Bibcode 2009PhRvL.103g2502R)
  4. (de)« Eisen mit langem Atem »
  5. (en) D. Breitschwerdt, « The locations of recent supernovae near the Sun from modelling 60Fe transport », Nature, no 532,‎ , p. 73-76 (lire en ligne)
  6. (en) A. Wallner, « Recent near-Earth supernovae probed by global deposition of interstellar radioactive 60Fe », Nature, no 532,‎ , p. 69-72 (lire en ligne)
  7. (en)Universal Nuclide Chart
  8. (en) « 2.5.7. Standard and expanded uncertainties », Engineering Statistics Handbook (consulté le )

Voir aussi


1  H                                                             He
2  Li Be   B C N O F Ne
3  Na Mg   Al Si P S Cl Ar
4  K Ca   Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr
5  Rb Sr   Y Zr Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te I Xe
6  Cs Ba La Ce Pr Nd Pm Sm Eu Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb Lu Hf Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At Rn
7  Fr Ra Ac Th Pa U Np Pu Am Cm Bk Cf Es Fm Md No Lr Rf Db Sg Bh Hs Mt Ds Rg Cn Nh Fl Mc Lv Ts Og
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