Ізотопи Оксигену

Ізото́пи ки́сню — атоми кисню (оксигену) з різною чисельністю нейтронів у ядрах. Відомо 18 ізотопів кисню, з них три — стабільних: ¹⁶O, ¹⁷O, ¹⁸O. Решта 15 — від ¹¹O до ²⁸O —— радіоактивні та мають період напіврозпаду менше 123 секунд.[1]

Поширеність ізотопів кисню
^16O	99.76%
^17O	0.04%
^18O	0.20%

Кисень-16 є третім за поширеністю ізотопом у Всесвіті, поступається лише ¹H та ⁴He.[2] На Землі частка ¹⁶O з-поміж ізотопів кисню становить 99,76%, внаслідок цього атомна маса кисню усереднено становить 15.9994 а.о.м.. В окремих середовищах, внаслідок температурних змін, тощо вона коливається в проміжку 15.99903—15.99977 а.о.м..[3]

Стабільні ізотопи

У природі існує три стабільних ізотопи кисню: ¹⁶O, ¹⁷O, ¹⁸O. [4]

Кисень-16 є другим після гелію-4 найрозповсюдженішим ізотопом з поміж продуктів зоряного нуклеосинтезу. Та утворюється після потрійної альфа реакції: [2]

4He + 4He → 8Be	(−0.0918 MeV)	Злиттям двох ядер гелію-4 виникає нестабільний берилій-8.
8Be + 4He → 12C + 2 γ	(+7.367 MeV)	Якщо берилій-8 встигає провзаємодіяти з ядром гелію-4, утворюється вуглець-12.
12C + 4He → 16O + γ	(+7.162 MeV)	вуглець-12 поглинанням ядра гелію-4 у свою чергу продукує кисень-16.

У свою чергу два ядра кисню-16, в надрах масивних зір при температурах від 1500000000 K, можуть зливатися в ядра важчих елементів. Внаслідок цієї реакції ядерного горіння кисню утворюються різноманітні ізотопи, як масивніші (24Mg, 27Al, 28Si, 30P, 31P, 30S, 31S, 32S) так і легші (1H, 2H, 4He).

Співвідношення ізотопів

1935 року було виявлено, що співвідношення R= ¹⁸O¹⁶O в атмосфері Землі є вищим аніж у морській воді. Явище отримало назву ефект Доула на честь американського хіміка. Станом на 2005 рік співвідношення δ було виміряне:  R(атмосфери)R(океану)-1=23.88‰. Цей дисбаланс виникає через мас-залежне фракціонування ізотопів хімічних елементів живими організмами (при диханні чи фотосинтезі). Також важка вода (молекули з важчими ізотопами кисню чи водню) слабше випаровується з водойм при нижчих температурах. Аналізуючи співвідношення δ= R(зразок)R(стандарт)-1 можна оцінити температуру клімату планети на момент формування зразка, наприклад, вмерзання повітряної бульбашки в кригу. Порівняння ізотопного складу кисню для вкраплень повітря в крижаних кернах льодовиків із сучасними значеннями (наприклад Віденський стандарт середньої океанічної води) дозволяє палеоекології встановлювати хронологію кліматичних змін.[4]

Радіонукліди

CNO-цикл в ядрах зірок, з проміжною ланкою ¹⁵O

Окрім трьох стабільних ізотопів кисню, було штучно синтезовано ще 15, усі вони короткоживучі. Найдовше існує ¹⁵O — період напіврозпаду 122.24±0.16 c. Найкоротше ²⁵O — 2.8±0.5. ×10^-21 с.[1]

• Ізотопи з меншою кількістю нейронів (¹¹O—¹⁵O) головно за рахунок бета-розпаду з випромінюванням позитрона (β⁺) перетворюються на вуглець чи азот.
• Ізотопи з більшою кількістю нейронів (¹⁹O—²⁸O) зазвичай через бета-розпад з випускання електрона (β^-), перетворюються на флуор.

Кисень-15

Кисень-15 є однією з проміжних ланок вуглецево-азотного циклу (CNO-циклу), в якому чотири ядра протію (¹H) перетворюються на ядро гелію-4 (⁴He). Цикл відіграє важливу роль в зоряному нуклеосинтезі.

Цей радіонуклід застосовується в медицині для позитронно-емісійної томографії (PET-візуалізація). ¹⁵O розпадається, випромінюючи позитрон, який у свою чергу анігілює з електроном з емісією двох гамма-квантів (з енергіями по ~511 кеВ). Аналіз розподілу гамма-квантів і використовується при обстеженні легень, центральної та периферійної гемодинаміки тощо. Щоправда через короткий час існування (період напіврозпаду — близько 2 хвилин), частіше застосовують інші ізотопи (¹¹C, ¹³N, ¹⁸F).

В умовах земної атмосфери кисень-15 утворюється зокрема внаслідок впливу гамма-променів, що виникають зокрема від блискавок, на стабільний ізотоп ¹⁶O в молекулах кисню O₂.[5]

¹⁶O + γ → ¹⁵O + n

Упродовж кількох хвилин після утворення майже весь кисень-15 перетворюється на стабільний азот-15:
¹⁵O → ¹⁵N + ν + e⁺
Гамма-промені, що утворюються внаслідок анігіляції позитрона, пролітають в середньому до 90 м в атмосфері.

Список ізотопів кисню

Характеристики ізотопів кисню[1]

Символ нукліду	Z(p)	N(n)	Маса ізотопу (а.од.м.)	Період напіврозпаду (T1/2)	Канал розпаду (ймовірність)	Похідні ізотопи	Спін і Парність ядра
	Енергія збудження
^11O	8	3	11.0(1)	[~3.4 MeV]	2p	^9C	3/2−, 5/2+
^12O	8	4	12.034262(26)	> 6.3×10^-21 c	2p (60%) p (40%)	^10C ^11N	0+
^13O	8	5	13.024815(10)	8.58(5)×10^-3 c	β+ (89.1%) β+p (10.9%)	^13N ^12C*	(3/2−)
^14O	8	6	14.008596706(27)	70.621(14) c	β+	^14N*	0+
^15O	8	7	15.0030656(5)	122.24(16) с	β+	^15N*	1/2−
^16O*	8	8	15.99491461960(17)	стабільний	—	—	0+
^17O*	8	9	16.9991317566(7)	стабільний	—	—	5/2+
^18O*	8	10	17.9991596128(8)	стабільний	—	—	0+
^19O	8	11	19.0035780(28)	26.464(9) с	β−	^19F*	5/2+
^20O	8	12	20.0040754(9)	13.51(5) с	β−	^20F	0+
^21O	8	13	21.008655(13)	3.42(10) с	β−	^21F	(5/2+)
^22O	8	14	22.00997(6)	2.25(9) с	β− (78%) β−n (22%)	^22F ^21F	0+
^23O	8	15	23.01570(13)	9.7(8)×10^-2 c	β− (93%) β−n (7%)	^23F ^22F	1/2+
^24O	8	16	24.01986(18)	6.5(5)×10^-2 c	β− (57%) β−n (43%)	^24F ^23F	0+
^25O	8	17	25.02934(18)	2.8(5)×10^-21 c	n	^24O	3/2+#
^26O	8	18	26.03721(18)	9.0×10^-21 c	2n	^24O	0+
^27O	8	19	27.04772(54)	<2.6×10^-7 c	n (?) 2n (?)	?	3/2+#
^28O	8	20	28.05591(75)	<1.00×10^-7 c	n (?) 2n (?)	?	0+
() — ± щодо останніх вказаних порядків значень; * — стабільні ізотопи;? — невідомо; # — розрахункові дані; (β) — бета-розпад (β− — електрон; β+ — позитрон); p — емісія протона ; n — емісія нейтрона;

Дивись також

• Оксиген
• Нуклеосинтез
• Ефект Доула
• Оксиген-16

Джерела

1. Таблиця ізотопів ((англ.)). Корейський Дослідний Інститут Атомної Енергії. Процитовано 21 вересня 2019.
2. Arnett, David (1996). Supernovae and Nucleosynthesis ((англ.)) (вид. First). Princeton, New Jersey: Princeton University Press. с. 11. ISBN 0-691-01147-8. OCLC 33162440.
3. Webb, T. B. (2019). First Observation of Unbound ¹¹O, the Mirror of the Halo Nucleus ¹¹Li. Physical Review Letters ((англ.)) 122 (12): 122501–1—122501–7. arXiv:1812.08880. doi:10.1103/PhysRevLett.122.122501.
4. Кундельчук О.П. (2016). Палеоекологія (навчальний посібник) ((укр.)). Херсонський державний університет,. Процитовано 22 вересня 2019.
5. Timmer, John (25 листопада 2017). Lightning strikes leave behind a radioactive cloud. Ars Technica ((англ.)).

H

He

Li

Be

B

C

N

O

F

Ne

Na

Mg

Al

Si

P

S

Cl

Ar

K

Ca

Sc

Ti

V

Cr

Mn

Fe

Co

Ni

Cu

Zn

Ga

Ge

As

Se

Br

Kr

Rb

Sr

Y

Zr

Nb

Mo

Tc

Ru

Rh

Pd

Ag

Cd

In

Sn

Sb

Te

I

Xe

Cs

Ba

*

Hf

Ta

W

Re

Os

Ir

Pt

Au

Hg

Tl

Pb

Bi

Po

At

Rn

Fr

Ra

**

Rf

Db

Sg

Bh

Hs

Mt

Ds

Rg

Cn

Uut

Fl

Uup

Lv

Uus

Uuo

*

La

Ce

Pr

Nd

Pm

Sm

Eu

Gd

Tb

Dy

Ho

Er

Tm

Yb

Lu

**

Ac

Th

Pa

U

Np

Pu

Am

Cm

Bk

Cf

Es

Fm

Md

No

Lr