Изотопы кислорода

Известны три стабильных изотопа кислорода ( 8O ₎ :16О,17О, и18О.

Радиоактивные изотопы в диапазоне от¹¹
О
к²⁸
О
также были охарактеризованы, все короткоживущие. Самый долгоживущий радиоизотоп -¹⁵
О
с периодом полураспада122,266(43)  с , в то время как наиболее короткоживущий изотоп — это несвязанный ¹¹
О
с периодом полураспада198(12)  йоктосекунд , хотя периоды полураспада для несвязанных тяжелых изотопов не были измерены²⁷
О
и²⁸
О
. ^[3]

Список изотопов

1. ^m O – Возбужденный ядерный изомер .
2. ( ) – Неопределенность (1 σ ) приводится в краткой форме в скобках после соответствующих последних цифр.
3. Способы распада:
4. Жирный символ как дочерний – Дочерний продукт стабилен.
5. ( ) значение спина – указывает спин со слабыми аргументами присваивания.
6. # – Значения, отмеченные #, получены не только из экспериментальных данных, но, по крайней мере, частично из тенденций соседних нуклидов (TNN).
7. Промежуточный продукт CNO-I в звездном нуклеосинтезе как часть процесса получения гелия из водорода.
8. Соотношение между¹⁶
   О
   и¹⁸
   О
   используется для определения древних температур .
9. Может использоваться в ЯМР-исследованиях метаболических путей.
10. Может использоваться при изучении определенных метаболических путей.
11. Показанный режим распада энергетически разрешен, но его возникновение в этом нуклиде экспериментально не наблюдалось.
12. Самый тяжелый связанный с частицами изотоп кислорода, см. Ядерная капельная линия

Стабильные изотопы

В конце жизни огромной звезды,¹⁶
О
концентрируется в оболочке Ne,¹⁷
О
в H-оболочке и¹⁸
О
в оболочке He.

Природный кислород состоит из трех стабильных изотопов ,16О,17О, и18О, с¹⁶
О
будучи наиболее распространенным (99,762% естественного содержания ). В зависимости от земного источника стандартный атомный вес варьируется в диапазоне [15.999 03 ,15,999 77 ] ( условное значение 15,999).

¹⁶
О
имеет высокую относительную и абсолютную распространенность, поскольку является основным продуктом звездной эволюции и поскольку является первичным изотопом, то есть может быть создан звездами , которые изначально состояли только из водорода . ^[10] Большинство¹⁶
О
синтезируется в конце процесса слияния гелия в звездах ; процесс тройной альфа создает12С, который захватывает дополнительный4Онядро для производства¹⁶
О
. Процесс горения неона создает дополнительные¹⁶
О
. ^[10]

Оба¹⁷
О
и¹⁸
О
являются вторичными изотопами, то есть для их синтеза требуются затравочные ядра.¹⁷
О
в основном производится путем сжигания водорода в гелий в цикле CNO , что делает его распространенным изотопом в зонах горения водорода в звездах. ^[10] Большинство¹⁸
О
производится, когда14Н(полученный в изобилии от сжигания CNO) захватывает⁴
Он
ядро, становление18Ф. Этот быстрый (период полураспада около 110 минут) бета распадается на¹⁸
О
что делает этот изотоп обычным в богатых гелием зонах звезд. ^{[10] Для} синтеза кислорода в серу необходимы температуры порядка 10 ⁹  кельвинов . ^[11]

Атомная масса 16 была присвоена кислороду до определения единой атомной единицы массы на основе¹²
С
^[12] Поскольку физики ссылались на¹⁶
О
только, хотя химики имели в виду естественную смесь изотопов, это привело к несколько иным масштабам масс.

Применение различных изотопов

Измерения соотношения ¹⁸ O/ ¹⁶ O часто используются для интерпретации изменений палеоклимата . Кислород в воздухе Земли99.759% ¹⁶
О
,0,037% ¹⁷
О
и0,204% ¹⁸
О
^[13] Молекулы воды с более легким изотопом имеют немного большую вероятность испаряться и меньше вероятность выпадать в виде осадков , ^[14] поэтому пресная вода и полярный лед Земли имеют немного меньше (0,1981% )¹⁸
О
чем воздух (0,204% ) или морская вода (0,1995% ). Это несоответствие позволяет анализировать температурные закономерности с помощью исторических ледяных кернов .

Твердые образцы (органические и неорганические) для определения изотопных соотношений кислорода обычно хранятся в серебряных чашках и измеряются с помощью пиролиза и масс-спектрометрии . ^[15] Исследователям необходимо избегать неправильного или длительного хранения образцов для точных измерений. ^[15]

Из-за того, что природный кислород в основном¹⁶
O , образцы, обогащенные другими стабильными изотопами, могут быть использованы для изотопной маркировки . Например, было доказано, что кислород, выделяемый при фотосинтезе, происходит из H ₂ O , а не из также потребляемого CO ₂ , с помощью экспериментов по изотопному отслеживанию. Кислород, содержащийся в CO _{2 ,} в свою очередь используется для создания сахаров, образующихся при фотосинтезе.

В ядерных реакторах на тяжелой воде замедлитель нейтронов должен быть предпочтительно низкотемпературным.¹⁷
О и¹⁸
O из-за их более высокого сечения поглощения нейтронов по сравнению с¹⁶
O. Хотя этот эффект можно наблюдать и в реакторах на легкой воде , обычный водород ( протий ) имеет более высокое поперечное сечение поглощения, чем любой стабильный изотоп кислорода, а его числовая плотность в воде вдвое выше, чем у кислорода, так что эффект незначителен. Поскольку некоторые методы разделения изотопов обогащают не только более тяжелые изотопы водорода, но и более тяжелые изотопы кислорода при производстве тяжелой воды , концентрация¹⁷
О и¹⁸
O может быть значительно выше. Кроме того,¹⁷
О (н,α)¹⁴
Реакция C является еще одним нежелательным результатом повышенной концентрации более тяжелых изотопов кислорода. Поэтому установки, которые удаляют тритий из тяжелой воды, используемой в ядерных реакторах, часто также удаляют или, по крайней мере, уменьшают количество более тяжелых изотопов кислорода.

Изотопы кислорода также используются для отслеживания состава и температуры океана, из которого происходят морепродукты . ^[16]

Радиоизотопы

Были охарактеризованы тринадцать радиоизотопов ; наиболее стабильными являются¹⁵
О
с периодом полураспада 122.266(43) с и¹⁴
О
с периодом полураспада70,621(11) с . Все остальные радиоизотопы имеют период полураспада менее27 с и большинство имеют период полураспада менее 0,1 с. Четыре самых тяжелых известных изотопа (до²⁸
О
) распадается путем испускания нейтронов до²⁴
О
, период полураспада которого составляет77,4(4,5) мс . Этот изотоп, наряду с ²⁸ Ne , использовался в модели реакций в коре нейтронных звезд. ^[17] Наиболее распространенным режимом распада для изотопов, более легких, чем стабильные изотопы, является β ⁺ распад на азот , а наиболее распространенным режимом после него является β ⁻ распад на фтор .

Кислород-13

Кислород-13 — нестабильный изотоп с 8 протонами и 5 нейтронами. Имеет спин 3/2− и период полураспада 8,58(5)  мс . Его атомная масса составляет13,024 815 (10)  Да . Распадается до азота-13 путем захвата электронов с энергией распада17,770(10)  МэВ . Его родительский нуклид — фтор-14 .

Кислород-14

Кислород-14 является вторым наиболее стабильным радиоизотопом. Ионные пучки кислорода-14 представляют интерес для исследователей протонно-богатых ядер; например, один из ранних экспериментов на установке для пучков редких изотопов в Ист-Лансинге, штат Мичиган , использовал пучок ^14O для изучения бета-распада перехода этого изотопа в ^14N . ^{[18] [19]}

Кислород-15

Кислород-15 — радиоизотоп, часто используемый в позитронно-эмиссионной томографии (ПЭТ). Он может использоваться, среди прочего, в воде для ПЭТ -визуализации перфузии миокарда и для визуализации мозга . ^{[20] [21]} Он имеет атомную массу15.003 0656 (5) и период полураспада122.266(43) с . Он производится посредством дейтронной бомбардировки азота-14 с использованием циклотрона . ^[22]

¹⁴
Н
+²
ЧАС
→¹⁵
О
+ н

Кислород-15 и азот-13 образуются в воздухе, когда гамма-лучи (например, от молнии ) выбивают нейтроны из ¹⁶ O и ¹⁴ N: ^[23]

¹⁶
О
+ γ →¹⁵
О
+ н

¹⁴
Н
+ γ →¹³
Н
+ н

¹⁵
О
распадается на¹⁵
Н
, испуская позитрон . Позитрон быстро аннигилирует с электроном, производя два гамма-луча с энергией около 511 кэВ. После удара молнии это гамма-излучение затухает с периодом полураспада 2 минуты, но эти низкоэнергетические гамма-лучи в среднем проходят всего около 90 метров по воздуху. Вместе с лучами, произведенными позитронами из азота-13, их можно обнаружить только в течение минуты или около того, как «облако»¹⁵
О
и¹³
Н
проплывает, увлекаемый ветром. ^[8]

Кислород-20

Период полураспада кислорода-20 составляет13,51 ± 0,05 с и распадается путем β ⁻ распада до ²⁰ F. Это одна из известных частиц, выбрасываемых при кластерном распаде , испускаемая при распаде ²²⁸ Th с отношением ветвлений около(1,13 ± 0,22) × 10 ⁻¹³ . ^[24]

Смотрите также

• Эффект пособия по безработице

Ссылки

1. "Стандартные атомные веса: кислород". CIAAW . 2009.
2. Prohaska, Thomas; Irrgeher, Johanna; Benefield, Jacqueline; Böhlke, John K.; Chesson, Lesley A.; Coplen, Tyler B.; Ding, Tiping; Dunn, Philip JH; Gröning, Manfred; Holden, Norman E.; Meijer, Harro AJ (2022-05-04). "Стандартные атомные веса элементов 2021 (Технический отчет ИЮПАК)". Чистая и прикладная химия . doi :10.1515/pac-2019-0603. ISSN  1365-3075.
3. Kondo, Y.; Achouri, NL; Falou, H. Al; et al. (2023-08-30). "Первое наблюдение 28O". Nature . 620 (7976). Springer Science and Business Media LLC: 965–970. Bibcode :2023Natur.620..965K. doi : 10.1038/s41586-023-06352-6 . ISSN  0028-0836. PMC 10630140 . PMID  37648757. 
4. Ван, Мэн; Хуан, ВДж; Кондев, ФГ; Ауди, Г.; Наими, С. (2021). «Оценка атомной массы AME 2020 (II). Таблицы, графики и ссылки*». Chinese Physics C. 45 ( 3): 030003. doi :10.1088/1674-1137/abddaf.
5. Kondev, FG; Wang, M.; Huang, WJ; Naimi, S.; Audi, G. (2021). "Оценка ядерных свойств NUBASE2020" (PDF) . Chinese Physics C. 45 ( 3): 030001. doi :10.1088/1674-1137/abddae.
6. Уэбб, ТБ; и др. (2019). «Первое наблюдение несвязанного ¹¹ O, зеркала ядра гало ¹¹ Li». Physical Review Letters . 122 (12): 122501–1–122501–7. arXiv : 1812.08880 . Bibcode : 2019PhRvL.122l2501W. doi : 10.1103/PhysRevLett.122.122501. PMID  30978039. S2CID  84841752.
7. Paleja, Ameya (2023-09-05). "Ученые наблюдают распад ядра на четыре частицы". interestingengineering.com . Получено 2023-09-29 .
8. Teruaki Enoto; et al. (23 ноября 2017 г.). «Фотоядерные реакции, вызванные разрядом молнии». Nature . 551 (7681): 481–484. arXiv : 1711.08044 . Bibcode :2017Natur.551..481E. doi :10.1038/nature24630. PMID  29168803. S2CID  4388159.
9. "Атомный вес кислорода | Комиссия по изотопному содержанию и атомным весам". ciaaw.org . Получено 2022-03-15 .
10. BS Meyer (19–21 сентября 2005 г.). «Нуклеосинтез и галактическая химическая эволюция изотопов кислорода» (PDF) . Труды Программы космохимии НАСА и Института Луны и планет . Рабочая группа по кислороду в самой ранней Солнечной системе. Гатлинбург, Теннесси. 9022.
11. Эмсли 2001, стр. 297.
12. Паркс и Меллор 1939, Глава VI, Раздел 7.
13. Кук и Лауэр 1968, стр. 500.
14. Дансгаард, W (1964). «Стабильные изотопы в осадках» (PDF) . Теллус . 16 (4): 436–468. Бибкод : 1964Скажите...16..436D. doi :10.1111/j.2153-3490.1964.tb00181.x.
15. Tsang, Man-Yin; Yao, Weiqi; Tse, Kevin (2020). Kim, Il-Nam (ред.). «Окисленные серебряные чашки могут искажать результаты изотопного анализа кислорода небольших образцов». Experimental Results . 1 : e12. doi : 10.1017/exp.2020.15 . ISSN  2516-712X.
16. Мартино, Жасмин К.; Труман, Клайв Н.; Мазумдер, Дебашиш; Кроуфорд, Ягода; Даблдей, Зои А. (12 сентября 2022 г.). «Использование „химической дактилоскопии“ для борьбы с мошенничеством с морепродуктами и незаконным рыболовством». Рыба и рыболовство . 23 (6). Phys.org : 1455–1468. doi : 10.1111/faf.12703 . S2CID  252173914. Архивировано из оригинала 13 сентября 2022 г. Получено 13 сентября 2022 г.
17. Берри, Д.К.; Хоровиц, К.Дж. (апрель 2008 г.). «Слияние изотопов кислорода, богатых нейтронами, в коре аккрецирующих нейтронных звезд». Physical Review C. 77 ( 4): 045807. arXiv : 0710.5714 . Bibcode : 2008PhRvC..77d5807H. doi : 10.1103/PhysRevC.77.045807. S2CID  118639621.
18. "APS - Осень 2022 г., встреча Отделения ядерной физики APS - Событие - Производство пучка кислорода-14 при 5 и 15 МэВ/нуклон с помощью спектрометра MARS". Бюллетень Американского физического общества . 67 (17). Американское физическое общество.
19. Энергия, Министерство энергетики США. «Исследователи разрабатывают новый метод изучения ядерных реакций на короткоживущих изотопах, участвующих во взрывах звезд». phys.org . Получено 16 декабря 2023 г.
20. Rischpler, Christoph; Higuchi, Takahiro; Nekolla, Stephan G. (22 ноября 2014 г.). «Текущее и будущее состояние ПЭТ-индикаторов перфузии миокарда». Current Cardiovascular Imaging Reports . 8 (1): 333–343. doi :10.1007/s12410-014-9303-z. S2CID  72703962.
21. Ким, Э. Эдмунд; Ли, Мён-Чул; Иноуэ, Томио; Вонг, Вай-Хой (2012). Клиническая ПЭТ и ПЭТ/КТ: принципы и применение. Springer. стр. 182. ISBN 9781441908025.
22. "Производство радионуклидов ПЭТ". Больница Остина, Austin Health. Архивировано из оригинала 15 января 2013 года . Получено 6 декабря 2012 года .
23. Тиммер, Джон (25 ноября 2017 г.). «Удары молнии оставляют после себя радиоактивное облако». Ars Technica .
24. Бонетти, Р.; Гульельметти, А. (2007). «Кластерная радиоактивность: обзор спустя двадцать лет» (PDF) . Romanian Reports in Physics . 59 : 301–310. Архивировано из оригинала (PDF) 19 сентября 2016 г.

• Кук, Герхард А.; Лауэр, Кэрол М. (1968). «Кислород». В Клиффорде А. Хэмпеле (ред.). Энциклопедия химических элементов . Нью-Йорк: Reinhold Book Corporation. стр. 499–512. LCCN  68-29938.
• Эмсли, Джон (2001). «Кислород». Строительные блоки природы: путеводитель по элементам от А до Я. Оксфорд, Англия, Великобритания: Oxford University Press. стр. 297–304. ISBN 978-0-19-850340-8.
• Паркс, Г. Д.; Меллор, Дж. В. (1939). Современная неорганическая химия Меллора (6-е изд.). Лондон: Longmans, Green and Co.