Изотопы кислорода

Изотопы кислорода — разновидности химического элемента кислорода с разным количеством нейтронов в атомном ядре. Известно 18 изотопов кислорода с массовыми числами от 11 до 28 (количество протонов 8, нейтронов от 3 до 20). Ядерные изомеры неизвестны.

В конце жизни массивной звезды, ¹⁶O сконцентрирован в кислородной оболочке, ¹⁷O в H-оболочке и ¹⁸O в He-оболочке

Запрос «Кислород-18»^{[[d:Q662269#sitelinks-wikipedia|[d]]]} перенаправляется сюда. На эту тему нужно создать отдельную статью.

Природный кислород состоит из смеси 3 стабильных изотопов:

• ¹⁶O (изотопная распространенность 99,76 %)
• ¹⁷O (изотопная распространенность 0,04 %)
• ¹⁸O (изотопная распространенность 0,20 %)

Самый долгоживущий радиоактивный изотоп — ¹⁵O, его период полураспада — 122,24 секунды.

Стабильные изотопы

Природный кислород состоит из трёх стабильных изотопов, ¹⁶O, ¹⁷O и ¹⁸O, из них изотоп ¹⁶O является наиболее распространенным изотопом кислорода, ¹⁷O и ¹⁸O являются вторичными изотопами^[1].

Кислород в атмосфере Земли на 99,759 % состоит из ¹⁶O, на 0,037 % из ¹⁷O и на 0,204 % из ¹⁸O^[2].

Кислород-16

Преобладание изотопа ¹⁶O объясняется тем, что он образуется в процессе термоядерного синтеза, происходящего в звёздах^[3].

Большая часть ¹⁶O образуется в конце процесса слияния гелия в звёздах. В ходе тройной альфа-реакции синтезируется изотоп ¹²C, который захватывает дополнительное ядро ⁴Не. Кроме того, ¹⁶O образуется при ядерном горении неона^[3].

Кислород-17

¹⁷O образуется в основном в ходе CNO цикла и находится преимущественно в зоне горения водорода^[3].

Кислород-18

Большая часть ¹⁸O образуется в реакции захвата изотопом ¹⁴N ядер ⁴Не с накоплением в гелиевой зоне звёзд^[3]. Для слияния двух ядер кислорода и образования ядра серы требуется температура в миллиард кельвин^[4].

Используется при синтезе ¹⁸F методом бомбардировки протонами мишеней с ¹⁸O в ускорителях. Для этого природный кислород обогащают по ¹⁸O до 95%. Разделение изотопов производится методом дистилляции и/или центрифугированием^[5][6].

В атмосфере земли наблюдается повышенное содержание тяжелого изотопа ¹⁸О по сравнению с содержанием в морской водой, данное явление называется эффектом Доула, он возникает из-за того, что для дыхания предпочтительно используется более лёгкий, а значит и более реакционноспособный, ¹⁶O, что увеличивает относительный объём ¹⁸O в атмосфере.

Радиоизотопы

Известны также искусственные изотопы кислорода в диапазоне массовых чисел от 11^[7] до 28^[8]. Наиболее стабильны ¹⁵O^[1] с периодом полураспада 122,24 с и ¹⁴O с периодом полураспада 70,606 с^[1]. Все остальные радиоактивные изотопы имеют периоды полураспада менее 27 с, большинство из них имеют периоды полураспада менее 83 миллисекунд^[1]. Например, ²⁴O имеет период полураспада 61 мс^[9].

Наиболее распространенные пути распада для лёгких изотопов является β⁺-распад (с образованием изотопов азота)^[10][11][12], а для тяжелых изотопов — β^- распад (с образованием изотопов фтора).

Кислород-13

Кислород-13 — нестабильный изотоп кислорода, ядро которого состоит из 8 протонов и 5 нейтронов. Спин ядра 3/2, период полураспада 8,58 мс. Атомная масса 13,0248 а. е. м. Он превращается в ¹³N путём электронного захвата с выделением энергии распада 17,765 МэВ^[13]. Является продуктом распада фтора-14^[14]. Был впервые получен Резерфордом при бомбардировке ядер азота альфа-частицами.

Кислород-15

Изотоп ¹⁵O используется в позитронно-эмиссионной томографии, но гораздо реже, чем ¹⁸F или ¹¹С. Это объясняется слишком коротким периодом полураспада ¹⁵O. Ядро ¹⁵O состоит из 8 протонов, 7 нейтронов, атомная масса 15.0030654 а. е. м. Период полураспада — 122 секунды^[15].

Таблица изотопов

Символ нуклида	Z(p)	N(n)	Масса изотопа[16] (а. е. м.)	Период полураспада[17] (T1/2)	Канал распада	Продукт распада	Спин и чётность ядра[17]	Распространённость изотопа в природе	Диапазон изменения изотопной распространённости в природе
	Энергия возбуждения
11O	8	3	11,051250(60)	(1,98 ± (22))⋅10−22 с [2,31 ± 0,14]	2p	9C	(3/2−)
12O	8	4	12,034368(13)	(8,9 ± (33))⋅10−21 с	2p (60,0%)	10C	0+
13O	8	5	13,024815(10)	8,58 ± (5) мс	β+ (89,1%)	13N	(3/2−)
					β+, p (10,9%)	12C
14O	8	6	14,008596706(27)	70,621 ± (11) с	β+	14N	0+
15O	8	7	15,0030656(5)	122,266 ± (43) с	β+	15N	1/2−
16O	8	8	15,9949146193(3)	стабилен			0+	0,99757(16)	0,99738–0,99776
17O	8	9	16,9991317560(7)	стабилен			5/2+	3,8(1)⋅10−4	(3,7–4,0)⋅10−4
18O	8	10	17,9991596121(7)	стабилен			0+	2,05(14)⋅10−3	(1,88–2,22)⋅10−3
19O	8	11	19,0035780(28)	26,470 ± (6) 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%)	22F	0+
					β−, n (<22%)	21F
23O	8	15	23,01570(13)	97 ± (8) мс	β− (93%)	23F	1/2+
					β−, n (7%)	22F
24O	8	16	24,01986(18)	77,4 ± (45) мс	β− (57%)	24F	0+
					β−, n (43%)	23F
25O	8	17	25,02934(18)	(5,18 ± (0,35))⋅10−21 с	n	24O	3/2+#
26O	8	18	26,03721(18)	4,2(33)⋅10-12 с	2n	24O	0+
27O	8	19	27,04796(54)#	<260 нс	n	26O	3/2+#
28O	8	20	28,05591(75)#	<100 нс	2n	26O	0+

Пояснения к таблице

• Распространённость изотопов приведена для большинства природных образцов. Для других источников значения могут сильно отличаться.

• Индексами 'm', 'n', 'p' (рядом с символом) обозначены возбужденные изомерные состояния нуклида.

• Символами, выделенными жирным шрифтом, обозначены стабильные продукты распада.

• Значения, помеченные решёткой (#), получены не из одних лишь экспериментальных данных, а (хотя бы частично) оценены из систематических трендов у соседних нуклидов (с такими же соотношениями Z и N). Неуверенно определённые значения спина и/или чётности заключены в скобки.

• Погрешность приводится в виде числа в скобках, выраженного в единицах последней значащей цифры, означает одно стандартное отклонение (за исключением распространённости и стандартной атомной массы изотопа по данным ИЮПАК, для которых используется более сложное определение погрешности). Примеры: 29770,6(5) означает 29770,6 ± 0,5; 21,48(15) означает 21,48 ± 0,15; −2200,2(18) означает −2200,2 ± 1,8.

См. также

• Эффект Доула
• Нуклеосинтез
• Кислород
• Ядерная физика