Ізотопи кисню

Ізото́пи ки́сню — атоми кисню 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%

Сюди перенаправляється запит «Кисень-17». На цю тему потрібна окрема стаття.

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=+¹⁸O/¹⁶O в атмосфері Землі є вищим аніж у морській воді. Явище отримало назву ефект Доула^[en] 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^[en]) 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 нукліда	Z(p)	N(n)	Маса ізотопа (а. о. 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 — протонний розпад ; n — випромінювання нейтрона;

Див. також

• Кисень
• Нуклеосинтез
• Ефект Доула
• Кисень-16