Изотопы кислорода — разновидности химического элемента кислорода с разным количеством нейтронов в атомном ядре . Известно 18 изотопов кислорода с массовыми числами от 11 до 28 (количество протонов 8, нейтронов от 3 до 20). Ядерные изомеры неизвестны.

Природный кислород состоит из смеси 3 стабильных изотопов:

• ¹⁶ O ( изотопная распространенность 99,76 %)
• ¹⁷ O (изотопная распространенность 0,04 %)
• ¹⁸ O (изотопная распространенность 0,20 %)

Самый долгоживущий радиоактивный изотоп — ¹⁵ O, его период полураспада — 122,24 секунды.

Стабильные изотопы

Природный кислород состоит из трёх стабильных изотопов, ¹⁶ O , и ¹⁸ O , из них изотоп ¹⁶ O является наиболее распространенным изотопом кислорода, ¹⁷ O и ¹⁸ O являются вторичными изотопами .

Кислород в атмосфере Земли на 99,759 % состоит из ¹⁶ O, на 0,037 % из ¹⁷ O и на 0,204 % из ¹⁸ O .

Кислород-16

Преобладание изотопа ¹⁶ O объясняется тем, что он образуется в процессе термоядерного синтеза, происходящего в звёздах .

Большая часть ¹⁶ O образуется в конце процесса слияния гелия в звёздах. В ходе тройной альфа-реакции синтезируется изотоп ¹² C , который захватывает дополнительное ядро ⁴ Не . Кроме того, ¹⁶ O образуется при ядерном горении неона .

Кислород-17

¹⁷ O образуется в основном в ходе CNO цикла и находится преимущественно в зоне горения водорода .

Кислород-18

Большая часть ¹⁸ O образуется в реакции захвата изотопом ядер ⁴ Не с накоплением в гелиевой зоне звёзд . Для слияния двух ядер кислорода и образования ядра серы требуется температура в миллиард кельвин .

Используется при синтезе ¹⁸ F методом бомбардировки протонами мишеней с ¹⁸ O в ускорителях. Для этого природный кислород обогащают по ¹⁸ O до 95%. Разделение изотопов производится методом дистилляции и/или центрифугированием .

В атмосфере земли наблюдается повышенное содержание тяжелого изотопа ¹⁸ О по сравнению с содержанием в морской водой, данное явление называется эффектом Доула , он возникает из-за того, что для дыхания предпочтительно используется более лёгкий, а значит и более реакционноспособный, ¹⁶ O, что увеличивает относительный объём ¹⁸ O в атмосфере.

Радиоизотопы

Известны также искусственные изотопы кислорода в диапазоне массовых чисел от 11 до 28 . Наиболее стабильны ¹⁵ O с периодом полураспада 122,24 с и 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, 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 ¹³ N 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 ¹⁵ O используется в позитронно-эмиссионной томографии , но гораздо реже, чем ¹⁸ F или ¹¹ С . Это объясняется слишком коротким периодом полураспада ¹⁵ O. Ядро ¹⁵ O состоит из 8 протонов, 7 нейтронов, атомная масса 15.0030654 а. е. м. Период полураспада — 122 секунды .

Таблица изотопов

Символ нуклида	Z ( p )	N( n )	Масса изотопа ( а. е. м. )	Период полураспада (T 1/2 )	Канал распада	Продукт распада	Спин и чётность ядра	Распространённость изотопа в природе	Диапазон изменения изотопной распространённости в природе
	Энергия возбуждения
11 O	8	3	11,051250(60)	(1,98 ± (22))⋅10 −22 с [ 2,31 ± 0,14 ]	2p	9 C	(3/2−)
12 O	8	4	12,034368(13)	(8,9 ± (33))⋅10 −21 с	2p (60,0%)	10 C	0+
13 O	8	5	13,024815(10)	8,58 ± (5) мс	β + (89,1%)	13 N	(3/2−)
					β + , p (10,9%)	12 C
14 O	8	6	14,008596706(27)	70,621 ± (11) с	β +	14 N	0+
15 O	8	7	15,0030656(5)	122,266 ± (43) с	β +	15 N	1/2−
16 O	8	8	15,9949146193(3)	стабилен			0+	0,99757(16)	0,99738–0,99776
17 O	8	9	16,9991317560(7)	стабилен			5/2+	3,8(1)⋅10 −4	(3,7–4,0)⋅10 −4
18 O	8	10	17,9991596121(7)	стабилен			0+	2,05(14)⋅10 −3	(1,88–2,22)⋅10 −3
19 O	8	11	19,0035780(28)	26,470 ± (6) с	β −	19 F	5/2+
20 O	8	12	20,0040754(9)	13,51 ± (5) с	β −	20 F	0+
21 O	8	13	21,008655(13)	3,42 ± (10) с	β −	21 F	(5/2+)
22 O	8	14	22,00997(6)	2,25 ± (9) с	β − (>78%)	22 F	0+
					β − , n (<22%)	21 F
23 O	8	15	23,01570(13)	97 ± (8) мс	β − (93%)	23 F	1/2+
					β − , n (7%)	22 F
24 O	8	16	24,01986(18)	77,4 ± (45) мс	β − (57%)	24 F	0+
					β − , n (43%)	23 F
25 O	8	17	25,02934(18)	(5,18 ± (0,35))⋅10 −21 с	n	24 O	3/2+#
26 O	8	18	26,03721(18)	4,2(33)⋅10 -12 с	2n	24 O	0+
27 O	8	19	27,04796(54)#	< 260 нс	n	26 O	3/2+#
28 O	8	20	28,05591(75)#	< 100 нс	2n	26 O	0+

Пояснения к таблице

• Распространённость изотопов приведена для большинства природных образцов. Для других источников значения могут сильно отличаться.

• Индексами 'm', 'n', 'p' (рядом с символом) обозначены возбужденные изомерные состояния нуклида.

• Символами, выделенными жирным шрифтом , обозначены стабильные продукты распада.

• 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 ). Неуверенно определённые значения спина и/или 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

• Эффект Доула
• Нуклеосинтез
• Кислород
• Ядерная физика

Примечания

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 // (англ.) . — Oxford, England, UK: Oxford University Press , 2001. — P. —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.