stringtranslate.com

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. ^ 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 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 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

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. ^ abc 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. ^ abcd 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. ^ ab 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. ^ abc "Атомный вес кислорода | Комиссия по изотопному содержанию и атомным весам". ciaaw.org . Получено 2022-03-15 .
  10. ^ abcd 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. ^ ab 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.