stringtranslate.com

Изотопы кислорода

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

Радиоактивные изотопы от11
О
к28
О
также были охарактеризованы, все недолговечны. Самый долгоживущий радиоизотоп –15
О
с периодом полураспада122,266(43)  с , а самым короткоживущим изотопом является несвязанный 11
О
с периодом полураспада198 (12)  йоктосекунд , хотя период полураспада несвязанных тяжелых изотопов не измерялся.27
О
и28
О
. [3]

Список изотопов

  1. ^ m O – Возбужденный ядерный изомер .
  2. ^ ( ) – Неопределенность (1 σ ) указывается в краткой форме в скобках после соответствующих последних цифр.
  3. ^ Способы распада:
  4. ^ Жирный символ в виде дочернего продукта — дочерний продукт стабилен.
  5. ^ ( ) значение вращения — указывает на вращение со слабыми аргументами присваивания.
  6. ^ # - Значения, отмеченные #, получены не только на основе экспериментальных данных, но, по крайней мере, частично на основе тенденций соседних нуклидов (TNN).
  7. ^ Промежуточный продукт CNO-I в звездном нуклеосинтезе как часть процесса получения гелия из водорода.
  8. ^ ab 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 экспериментально не наблюдался в этом нуклиде.
  12. ^ Самый тяжелый изотоп кислорода, связанный с частицами, см. Ядерную капельную линию.

Стабильные изотопы

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

Природный кислород состоит из трех стабильных изотопов .16О,17О, и18О, с16
О
является самым многочисленным (99,762% естественной численности ). В зависимости от земного источника стандартный атомный вес варьируется в пределах [15.999 03 ,15,99977 ] ( условное значение — 15,999).

16
О
имеет высокое относительное и абсолютное содержание, поскольку является основным продуктом звездной эволюции и первичным изотопом, что означает, что он может образовываться звездами , которые изначально состояли только из водорода . [10] Большинство16
О
синтезируется в конце процесса синтеза гелия в звездах ; процесс тройной альфа создает12С, который фиксирует дополнительный4Онядро для производства16
О
. Процесс горения неона создает дополнительные16
О
. [10]

Оба17
О
и18
О
являются вторичными изотопами, то есть для их синтеза требуются зародышевые ядра.17
О
в основном производится путем сжигания водорода в гелий в цикле CNO , что делает его распространенным изотопом в зонах горения водорода звезд. [10] Большинство18
О
производится, когда14Н(появившийся в изобилии в результате сжигания CNO) захватывает4
Он
ядро, становясь18Ф. Эта быстро (период полураспада около 110 минут) бета распадается на18
О
делая этот изотоп обычным явлением в богатых гелием зонах звезд. [10] Для превращения кислорода в серу необходимо около 10 9 кельвинов . [11]

Атомная масса 16 была присвоена кислороду до определения единой единицы атомной 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 земном воздухе99,759% 16
О
,0,037% 17
О
и0,204% 18
О
. [13] Молекулы воды с более лёгким изотопом несколько чаще испаряются и с меньшей вероятностью выпадают в виде осадков , [14] поэтому пресная вода Земли и полярный лед имеют немного меньше (0,1981% )18
О
чем воздух (0,204% ) или морской воды (0,1995% ). Это несоответствие позволяет анализировать температурные закономерности с помощью исторических ледяных кернов .

Твердые пробы (органические и неорганические) на определение изотопных соотношений кислорода обычно хранят в серебряных чашках и измеряют методами пиролиза и масс-спектрометрии . [15] Для обеспечения точных измерений исследователям необходимо избегать неправильного или длительного хранения образцов. [15]

Поскольку природный кислород в основном16
O , образцы, обогащенные другими стабильными изотопами, могут быть использованы для изотопной маркировки . Например, с помощью экспериментов по изотопному отслеживанию было доказано, что кислород, выделяющийся при фотосинтезе, образуется из H 2 O , а не из также потребляемого CO 2 . Кислород, содержащийся в CO 2 , в свою очередь используется для восполнения сахаров, образующихся в результате фотосинтеза.

В тяжеловодных реакторах замедлитель нейтронов предпочтительно должен быть с низким содержанием энергии.17
О и18
O из-за их более высокого сечения поглощения нейтронов по сравнению с16
О. ​Хотя этот эффект также можно наблюдать в легководных реакторах , обычный водород ( протий ) имеет более высокое сечение поглощения, чем любой стабильный изотоп кислорода, а его числовая плотность в воде в два раза выше, чем у кислорода, так что эффект пренебрежимо мал. Поскольку некоторые методы разделения изотопов при производстве тяжелой воды обогащают не только более тяжелые изотопы водорода, но и более тяжелые изотопы кислорода , концентрация17
О и18
О может быть значительно выше. Кроме того,17
О (n,α)14
Реакция C является еще одним нежелательным результатом повышенной концентрации более тяжелых изотопов кислорода. Поэтому установки, удаляющие 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

Охарактеризовано 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 из них имеют период полураспада менее 0,1 с. Четыре самых тяжелых известных изотопа (до28
О
) распад с испусканием нейтронов до24
О
, период полураспада которого77,4(4,5) мс . Этот изотоп вместе с 28 Ne использовался в модели реакций в коре нейтронных звезд. [17] Наиболее распространенным способом распада изотопов, более легких, чем стабильные изотопы, является β + -распад до азота , а наиболее распространенным после него режимом является β - распад до фтора .

Кислород-13

Кислород-13 — нестабильный изотоп , содержащий 8 протонов и 5 нейтронов. Он имеет спин 3/2− и период полураспада. 8,58(5)  мс . Его атомная масса13,024 815 (10)  Да . Он распадается до азота-13 путем захвата электронов с энергией распада17,770(10)  МэВ . Его родительский нуклид — фтор-14 .

Кислород-14

Кислород-14 — второй по стабильности радиоизотоп. Пучки ионов кислорода-14 представляют интерес для исследователей ядер, богатых протонами; например, в одном из первых экспериментов в Центре по изучению пучков редких изотопов в Ист-Лансинге, штат Мичиган , пучок 14 O использовался для изучения перехода этого изотопа в бета-распад в 14 N. [18] [19]

Кислород-15

Кислород-15 — радиоизотоп, часто используемый в позитронно-эмиссионной томографии (ПЭТ). Его можно использовать, среди прочего, в воде для ПЭТ- визуализации перфузии миокарда и для визуализации мозга . [20] [21] Его атомная масса составляет15.0030656 (5 ) и период полураспада122,266(43) с . Его получают путем бомбардировки азота-14 дейтронами с помощью 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, образуя 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 проходят в среднем всего около 90 метров по воздуху. Вместе с лучами, испускаемыми позитронами азота-13, их можно обнаружить лишь в течение минуты или около того, поскольку «облако»15
О
и13
Н
плывет, несущийся ветром. [8]

Кислород-20

Кислород-20 имеет период полураспада13,51 ± 0,05 с и распадается путем β - распада до 20 F. Это одна из известных частиц, выброшенных из кластерного распада , испускаемая при распаде 228 Th со степенью ветвления около(1,13 ± 0,22) × 10 −13 . [24]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ «Стандартные атомные веса: кислород». ЦИАВ . 2009.
  2. ^ Прохаска, Томас; Ирргехер, Йоханна; Бенефилд, Жаклин; Бёлке, Джон К.; Чессон, Лесли А.; Коплен, Тайлер Б.; Дин, Типинг; Данн, Филип Дж. Х.; Грёнинг, Манфред; Холден, Норман Э.; Мейер, Харро Эй Джей (04 мая 2022 г.). «Стандартные атомные веса элементов 2021 (Технический отчет ИЮПАК)». Чистая и прикладная химия . doi : 10.1515/pac-2019-0603. ISSN  1365-3075.
  3. ^ abc Кондо, Ю.; Ашури, Нидерланды; Фалу, Х. Ал; и другие. (30 августа 2023 г.). «Первое наблюдение 28О». Природа . 620 (7976). ООО «Спрингер Сайенс энд Бизнес Медиа»: 965–970. Бибкод : 2023Natur.620..965K. дои : 10.1038/s41586-023-06352-6 . ISSN  0028-0836. ПМЦ 10630140 . ПМИД  37648757. 
  4. ^ Ван, Мэн; Хуанг, WJ; Кондев, ФГ; Ауди, Г.; Наими, С. (2021). «Оценка атомной массы AME 2020 (II). Таблицы, графики и ссылки *». Китайская физика C . 45 (3): 030003. doi :10.1088/1674-1137/abddaf.
  5. ^ abcd Кондев, ФГ; Ван, М.; Хуанг, WJ; Наими, С.; Ауди, Г. (2021). «Оценка ядерных свойств NUBASE2020» (PDF) . Китайская физика C . 45 (3): 030001. doi :10.1088/1674-1137/abddae.
  6. ^ Уэбб, ТБ; и другие. (2019). «Первое наблюдение несвязанного 11 O, зеркала ядра гало 11 Li». Письма о физических отзывах . 122 (12): 122501–1–122501–7. arXiv : 1812.08880 . Бибкод : 2019PhRvL.122l2501W. doi : 10.1103/PhysRevLett.122.122501. PMID  30978039. S2CID  84841752.
  7. ^ Палея, Амея (5 сентября 2023 г.). «Ученые наблюдают распад ядра на четыре частицы». Интересныйинжиниринг.com . Проверено 29 сентября 2023 г.
  8. ^ аб Теруаки Эното; и другие. (23 ноября 2017 г.). «Фотоядерные реакции, вызванные разрядом молнии». Природа . 551 (7681): 481–484. arXiv : 1711.08044 . Бибкод : 2017Natur.551..481E. дои : 10.1038/nature24630. PMID  29168803. S2CID  4388159.
  9. ^ abc «Атомный вес кислорода | Комиссия по изотопному содержанию и атомному весу». ciaaw.org . Проверено 15 марта 2022 г.
  10. ^ abcd BS Meyer (19–21 сентября 2005 г.). «Нуклеосинтез и галактическая химическая эволюция изотопов кислорода» (PDF) . Труды Программы космохимии НАСА и Лунного и Планетарного института . Рабочая группа по кислороду в древней Солнечной системе. Гатлинбург, Теннесси. 9022.
  11. ^ Эмсли 2001, с. 297.
  12. ^ Паркс и Меллор 1939, Глава VI, Раздел 7.
  13. ^ Кук и Лауэр 1968, с. 500.
  14. ^ Дансгаард, W (1964). «Стабильные изотопы в осадках» (PDF) . Расскажи нам . 16 (4): 436–468. Бибкод : 1964Скажите...16..436D. doi :10.1111/j.2153-3490.1964.tb00181.x.
  15. ^ Аб Цанг, Мань-Инь; Яо, Вэйци; Це, Кевин (2020). Ким, Иль-Нам (ред.). «Окисленные серебряные чашки могут исказить результаты по изотопам кислорода в небольших образцах». Результаты эксперимента . 1 : е12. дои : 10.1017/exp.2020.15 . ISSN  2516-712X.
  16. ^ Мартино, Жасмин С.; Труман, Клайв Н.; Мазумдер, Дебашиш; Кроуфорд, Ягода; Даблдэй, Зои А. (12 сентября 2022 г.). «Использование« химического снятия отпечатков пальцев »для борьбы с мошенничеством с морепродуктами и незаконным рыболовством». Рыба и рыболовство . 23 (6). Phys.org : 1455–1468. дои : 10.1111/faf.12703 . S2CID  252173914. Архивировано из оригинала 13 сентября 2022 года . Проверено 13 сентября 2022 г.{{cite journal}}: CS1 maint: bot: исходный статус URL неизвестен ( ссылка )
  17. ^ Берри, ДК; Горовиц, CJ (апрель 2008 г.). «Слияние богатых нейтронами изотопов кислорода в коре аккрецирующих нейтронных звезд». Физический обзор C . 77 (4): 045807. arXiv : 0710.5714 . Бибкод : 2008PhRvC..77d5807H. doi : 10.1103/PhysRevC.77.045807. S2CID  118639621.
  18. ^ «APS - Совещание Отдела ядерной физики APS осенью 2022 г. - Мероприятие - Производство пучка кислорода-14 при энергии 5 и 15 МэВ / единица с помощью спектрометра MARS» . Бюллетень Американского физического общества . 67 (17). Американское физическое общество.
  19. ^ Энергетика, Министерство США. «Исследователи разрабатывают новый метод изучения ядерных реакций на короткоживущих изотопах, участвующих во взрывах звезд». физ.орг . Проверено 16 декабря 2023 г.
  20. ^ Ришплер, Кристоф; Хигучи, Такахиро; Неколла, Стефан Г. (22 ноября 2014 г.). «Текущий и будущий статус ПЭТ-индикаторов перфузии миокарда». Текущие отчеты о сердечно-сосудистой визуализации . 8 (1): 333–343. doi : 10.1007/s12410-014-9303-z. S2CID  72703962.
  21. ^ Ким, Э. Эдмунд; Ли, Мён Чхоль; Иноуэ, Томио; Вонг, Вай-Хой (2012). Клиническая ПЭТ и ПЭТ/КТ: принципы и применение. Спрингер. п. 182. ИСБН 9781441908025.
  22. ^ «Производство ПЭТ-радионуклидов». Больница Остина, Здоровье Остина. Архивировано из оригинала 15 января 2013 года . Проверено 6 декабря 2012 г.
  23. ↑ Тиммер, Джон (25 ноября 2017 г.). «Удары молний оставляют после себя радиоактивное облако». Арс Техника .
  24. ^ Бонетти, Р.; Гульельметти, А. (2007). «Кластерная радиоактивность: обзор через двадцать лет» (PDF) . Румынские доклады по физике . 59 : 301–310. Архивировано из оригинала (PDF) 19 сентября 2016 года.