Изотопы кислорода — разновидности химического элемента кислорода с разным количеством нейтронов в атомном ядре. Известно 16 изотопов кислорода с массовыми числами от 11 до 26 (количество протонов 8, нейтронов от 3 до 18). Ядерные изомеры неизвестны.
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 (99,762 %) изотопом кислорода.
Преобладание изотопа 16O объясняется тем, что он образуется в процессе термоядерного синтеза, происходящего в звёздах.
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.
17O и 18O являются вторичными изотопами. 17O образуется в основном в ходе CNO цикла и находится преимущественно в зоне горения водорода. Большая часть 18O образуется в реакции захвата изотопом 14N ядер 4Не с накоплением в гелиевой зоне звёзд. Для слияния двух ядер кислорода и образования ядра серы требуется температура в миллиард кельвин.
Кислород в атмосфере Земли на 99,759 % состоит из 16O, на 0,037 % из 17O и на 0,204 % из 18O.
Кислород-18
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.
Радиоизотопы
Известны также искусственные изотопы кислорода в диапазоне массовых чисел от 12 до 24. Наиболее стабильны 15O с периодом полураспада 122,24 с и 14O с периодом полураспада 70,606 с. Все остальные радиоактивные изотопы имеют периоды полураспада менее 27 с, большинство из них имеют периоды полураспада менее 83 миллисекунд. Например, 24O имеет период полураспада 61 мс.
Наиболее распространенные пути распада для лёгких изотопов является β+-распад (с образованием изотопов азота), 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. Является продуктом распада фтора-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.
Таблица изотопов
| Символ | Z(p) | N(n) |
Масса изотопа (u) |
Период полураспада | Спин | изотопный состав (мольная доля) |
Диапазон природных изменений (мольная доля) |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| энергия | |||||||
| 12O | 8 | 4 | 12,034405(20) | 580(30)*10−24с [0,40(25) MeV] | 0+ | ||
| 13O | 8 | 5 | 13,024812(10) | 8,58(5) мс | (3/2-) | ||
| 14O | 8 | 6 | 14,00859625(12) | 70,598(18) с | 0+ | ||
| 15O | 8 | 7 | 15,0030656(5) | 122,24(16) с | 1/2- | ||
| 16O | 8 | 8 | 15,99491461956(16) | стабилен | 0+ | 0,99757(16) | 0,99738-0.99776 |
| 17O | 8 | 9 | 16,99913170(12) | стабилен | 5/2+ | 0,00038(1) | 0,00037-0,00040 |
| 18O | 8 | 10 | 17,9991610(7) | стабилен | 0+ | 0,00205(14) | 0,00188-0,00222 |
| 19O | 8 | 11 | 19,003580(3) | 26,464(9) с | 5/2+ | ||
| 20O | 8 | 12 | 20,0040767(12) | 13,51(5) с | 0+ | ||
| 21O | 8 | 13 | 21,008656(13) | 3,42(10) с | (1/2,3/2,5/2)+ | ||
| 22O | 8 | 14 | 22,00997(6) | 2,25(15) с | 0+ | ||
| 23O | 8 | 15 | 23,01569(13) | 82(37) мс | 1/2+# | ||
| 24O | 8 | 16 | 24,02047(25) | 65(5) мс | 0+ | ||
| 25O | 8 | 17 | |||||
| 26O | 8 | 18 | < 40 нс | ||||
| 27O | 8 | 19 | < 260 нс | ||||
| 28O | 8 | 20 | < 100 нс | ||||
- 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). Неточно определённые значения спина и/или его 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
Литература
- Cook, Gerhard A.; Lauer, Carol M. Oxygen // The Encyclopedia of the Chemical Elements (англ.) / Clifford A. Hampel. — New York: Reinhold Book Corporation, 1968. — P. 499—512.
- Emsley, John. Oxygen // Nature's Building Blocks: An A–Z Guide to the Elements (англ.). — Oxford, England, UK: Oxford University Press, 2001. — P. 297—304. — ISBN 0-19-850340-7.
- Parks, G. D.; Mellor, J. W. Mellor's Modern Inorganic Chemistry (неопр.). — 6th. — London: Longmans, Green and Co, 1939.