نظائر الحديد

يوجد الحديد في الطبيعة في هيئة أربعة نظائر مستقرة، تكون موزعة كالآتي 5.845% ⁵⁴Fe و 91.754% ⁵⁶Fe و 2.119% ⁵⁷Fe و 0.282% ⁵⁸Fe. من المتوقع أن يخضع النظير ⁵⁴Fe لعملية تحلل بيتا المزدوج ^‏(en)‏، لكن هذه العملية لم تلاحظ بالتجربة بالنسبة لهذه الجسيمات.

 وحده النظير ⁵⁷Fe من بين النظائر المستقرة للحديد لديه لف مغزلي ومقداره (−1/2).

يعد نظير الحديد ⁵⁶Fe أكثر نظائر الحديد وفرة وأكثرها ثباتاً.

 من غير الممكن إجراء عملية انشطار أو اندماج نووي لهذا النظير مع حدوث إصدار للطاقة. يتشكل هذا النظير من نظير النيكل ⁵⁶Ni الذي يتشكل من نوى أخف من خلال عملية ألفا داخل المستعرات العظمى (اقرأ عملية احتراق السيليكون).

يشكل النظير 56 للنيكل نهاية سلسلة تفاعل الاندماج النووي داخل النجوم العملاقة، لأن إضافة جسيم ألفا آخر سيشكل الزنك-60، والذي يتطلب تشكيله طاقة عالية جداً، لذلك فإن النيكل-56، والذي عمر النصف له 6 أيام يوجد بكثرة في هذه النجوم.

 أثناء عملية اضمحلال المستعر الأعظم إلى بقايا، تحدث للنيكل-56 عمليتي إصدار بوزيتروني متلاحقتين، يتحول من خلالها أولاً إلى الكوبالت-56، ومن ثم إلى الحديد-56 المستقر، مما يفسر الوفرة الكبيرة للحديد في الكون مقارنة مع فلزات أخرى مقاربة في الكتلة الذرية. يوجد نظير الحديد-56 في قلب العملاق الأحمر وفي النيازك الحديدية وفي جوف الكرة الأرضية.

هنالك نظير مشع منقرض للحديد ⁶⁰Fe له عمر نصف كبير يبلغ 2.6 مليون سنة.

 إن أغلب الدراسات السابقة حول قياس نسبة نظائر الحديد كانت مركزة حول تحديد نسبة الاختلافات في النظير ⁶⁰Fe، وذلك نتيجة للعمليات المرافقة لحدوث التخليق النووي وفي تشكل الخامات. 

ساعد التطور الكبير والمتسارع في تقنية مطيافية الكتلة على كشف وتحديد نسب النظائر المستقرة للحديد، وذلك نتيجة وجود العديد من الفروع العلمية المهتمة بهذا المجال، من بينها علوم الأرض وعلم الكواكب بالإضافة إلى التطبيقات الحيوية والصناعية.

أظهرت الدراسات لبعض النيازك الحديدية أن العلاقة بين تركيز النيكل-60، والذي يمثل ناتج اضمحلال للحديد-60، ووفرة نظائر الحديد المستقرة يمكن أن تعطي دلالة على وجود الحديد-60 ⁶⁰Fe أثناء تشكل وتطور النظام الشمسي.

من المحتمل أن تكون الطاقة المتحررة أثناء اضمحلال نظير الحديد-60، بالإضافة إلى الطاقة المتحررة عن نظير الألومنيوم المشع ²⁶Al، قد ساهمت في حدوث إعادة انصهار وإعادة تشكيل وتمايزالكويكيبات قبل نشوئها من 4.6 مليار سنة.

تمتاز نوى نظائر الحديد بأن لها طاقة ارتباط عالية لكل نوية، ولا يفوقها بذلك إلا نظير النيكل ⁶²Ni، والذي يتشكل في تفاعلات الاندماج النووي في النجوم.

أما بالنسبة لتوزع عنصري الحديد والنيكل، فإن نسبة نظائر الحديد في الكرة الأرضية تفوق نظائر النيكل، ومن المتوقع أنها تفوقها أيضاً أثنائ تشكل العناصر في المستعرات العظمى.