氧的同位素
氧（原子量：15.9994）共有18个已知同位素，质量数介于11-28之间，其中有3个是稳定的，分别是16O、17O、18O，其中以16O占天然氧的绝大部分，丰度为99.76%。在氧的放射性同位素当中，15O半衰期最长，达122.266秒；而原子核滴线外的11O半衰期最短，只有1.98×10-22秒，但目前仍未测量同处原子核滴线外的27O和28O的半衰期。[2]
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| 标准原子质量 (Ar, 标准) |
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图表 编辑
| 符号 | Z（ p ） |
N（ n ） |
同位素质量（u） | 半衰期 | 衰变 方式[3] |
衰变 产物[n 1] |
原子核 自旋 |
相对丰度 （莫耳分率） |
相对丰度的变化量 （莫耳分率） |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 11O[4] | 8 | 3 | 11.05125(6) | 1.98(22)×10−22 s [2.31±0.14 MeV] |
2p | 9C | (3/2−) | ||
| 12O | 8 | 4 | 12.034405(20) | 580(30)×10−24 s [0.40(25) MeV] |
2p (60.0%) | 10C | 0+ | ||
| p (40.0%) | 11N | ||||||||
| 13O | 8 | 5 | 13.024812(10) | 8.58(5) ms | β+ (89.1%) | 13 N |
(3/2−) | ||
| β+, p (10.9%) | 12 C | ||||||||
| 14O | 8 | 6 | 14.00859625(12) | 70.598(18) s | β+ | 14 N |
0+ | ||
| 15O | 8 | 7 | 15.0030656(5) | 122.24(16) s | β+ | 15N | 1/2− | ||
| 16O[n 2] | 8 | 8 | 15.994914619257(319) | 稳定 | 0+ | 0.99757(16) | 0.99738–0.99776 | ||
| 17O[n 3] | 8 | 9 | 16.999131755953(692) | 稳定 | 5/2+ | 3.8(1)×10−4 | 3.7×10−4–4.0×10−4 | ||
| 18 O [n 2][n 4] |
8 | 10 | 17.999159612136(690) | 稳定 | 0+ | 2.05(14)×10−3 | 1.88×10−3–2.22×10−3 | ||
| 19O | 8 | 11 | 19.003580(3) | 26.464(9) s | β− | 19F | 5/2+ | ||
| 20O | 8 | 12 | 20.0040767(12) | 13.51(5) s | β− | 20F | 0+ | ||
| 21O | 8 | 13 | 21.008656(13) | 3.42(10) s | β− | 21F | (5/2+) | ||
| 22O | 8 | 14 | 22.00997(6) | 2.25(15) s | β− (78.0%) | 22F | 0+ | ||
| β−, n (22.0%) | 21F | ||||||||
| 23O | 8 | 15 | 23.01569(13) | 82(37) ms | β−, n (57.99%) | 22F | 1/2+ | ||
| β− (42.0%) | 23F | ||||||||
| 24O | 8 | 16 | 24.02047(25) | 77.4(45) ms | β−, n (57.99%) | 23F | 0+ | ||
| β− (42.01%) | 24F | ||||||||
| 25O | 8 | 17 | 25.02934(18) | 5.18(35) zs | n | 24O | 3/2+# | ||
| 26O | 8 | 18 | 26.03721(18) | 4.2(3.3) ps | 2n | 24O | 0+ | ||
| 27O[2] | 8 | 19 | 3n | 24O | |||||
| 28O[2] | 8 | 20 | 4n | 24O | 0+ | ||||
备注：画上#号的数据代表没有经过实验的证明，只是理论推测而已，而用括号括起来的代表数据不确定性。
稳定同位素 编辑
氧的3种稳定同位素是16O、17O、18O，其中16O最多，丰度为99.762 %[5]。
16O的丰度最大可以由恒星进化论解释。大爆炸产生宇宙时仅形成了氢和氦元素，其他元素都是通过后来的恒星中进行的核聚变反应合成的[6]。在恒星内，质子-质子链反应与碳氮氧循环首先进行，“燃烧”氢产生氦。随着烧氢的进行，核在自身重力下收缩，中心温度上升，当温度超过约1亿K时，“燃烧”氦的3氦过程开始，由此产生12C，然后又与氦（4He）原子核反应生成16O。大部分的16O由此产生。
17O的丰度为0.037%，18O为0.204%，是微量的稳定同位素。17O主要是在恒星的碳氮氧循环中，氢燃烧产生氦时合成的[6]。而18O是14N捕获4He合成的（14N由碳氮氧循环产生）。因此，17O主要于恒星的氢壳富集，18O主要于恒星的氦壳富集。[6]
放射性同位素 编辑
氧有十三种放射性同位素已获得表征，其中最稳定的是半衰期122.24秒的15O和半衰期70.606秒的14O。[5]剩下的放射性同位素的半衰期都小于27秒，大部分甚至小于0.1秒。[5]半衰期77.4毫秒的24O和28Ne都被用于研究中子星表面的核反应。[7]对于轻于稳定同位素的氧同位素，它们最常见的衰变模式是β+衰变成氮，[8][9][10]而较重的同位素则通过β−衰变衰变成氟。
氧-15 编辑
氧-15是氧的放射性同位素，常以氧-15水的形式用于正电子断层扫描（PET）的心肌灌注成像和脑成像。[11][12]它有8个质子和7个中子，原子量为15.0030654 amu，半衰期122.24秒。[13]氧-15可以由在回旋加速器中用氘轰击氮-14而成。[14]
氧-15和氮-13分别由γ射线把大气中的氧-16和氮-14的一个中子轰掉而成：[15]
- 16O + γ → 15O + n
- 14N + γ → 13N + n
氧-15会以约两分钟的半衰期衰变成氮-15，并放出一个正电子。这个正电子迅速和一个电子湮灭，并产生两个能量约为511 keV的γ射线。这些低能量的γ射线只能在空气中移动90米。它和来自氮-13的正电子产生的γ射线一样只能在一分钟内左右检测到，因为15O和13N的“云”会随风飘散。[16]
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注释 编辑
参考文献 编辑
- ^ Meija, Juris; et al. Atomic weights of the elements 2013 (IUPAC Technical Report). Pure and Applied Chemistry. 2016, 88 (3): 265–91. doi:10.1515/pac-2015-0305.
- ^ 2.0 2.1 2.2 Kondo, Y.; Achouri, N. L.; Falou, H. Al; et al. First observation of 28O. Nature (Springer Science and Business Media LLC). 2023-08-30, 620 (7976): 965–970. ISSN 0028-0836. doi:10.1038/s41586-023-06352-6.
- ^ Universal Nuclide Chart
. Nucleonica. [2014-12-02]. （原始内容存档于2017-02-19）.
- ^ Webb, T. B.; et al. First Observation of Unbound 11O, the Mirror of the Halo Nucleus 11Li. Physical Review Letters. 2019, 122 (12): 122501–1—122501–7. arXiv:1812.08880
. doi:10.1103/PhysRevLett.122.122501.
- ^ 5.0 5.1 5.2 Oxygen Nuclides / Isotopes. EnvironmentalChemistry.com. [2007-12-17]. （原始内容存档于2020-08-18）.
- ^ 6.0 6.1 6.2 Meyer, B.S. NUCLEOSYNTHESIS AND GALACTIC CHEMICAL EVOLUTION OF THE ISOTOPES OF OXYGEN (PDF). Proceedings of the NASA Cosmochemistry Program and the Lunar and Planetary Institute. Workgroup on Oxygen in the Earliest Solar System. Gatlinburg, Tennessee. September 19–21, 2005 [2007-12-23]. 9022. （原始内容存档 (PDF)于2010-12-29）.
- ^ Berry, D.K; Horowitz, C.J. Fusion of neutron rich oxygen isotopes in the crust of accreting neutron stars. April 2008 [2023-09-08]. doi:10.1103/PhysRevC.77.045807. （原始内容存档于2023-09-23）.
- ^ NUDAT. [2009-07-06]. （原始内容存档于2008-09-24）.
- ^ NUDAT. [2009-07-06]. （原始内容存档于2008-09-24）.
- ^ NUDAT. [2009-07-06]. （原始内容存档于2011-07-21）.
- ^ Rischpler, Christoph; Higuchi, Takahiro; Nekolla, Stephan G. Current and Future Status of PET Myocardial Perfusion Tracers. Current Cardiovascular Imaging Reports. 22 November 2014, 8 (1): 333–343. doi:10.1007/s12410-014-9303-z.
- ^ Kim, E. Edmund; Lee, Myung-Chul; Inoue, Tomio; Wong, Wai-Hoi. Clinical PET and PET/CT: Principles and Applications. Springer. 2012: 182 [2022-02-10]. ISBN 9781441908025. （原始内容存档于2022-02-10） （英语）.
- ^ oxygen 15 - definition of oxygen 15 by Medical dictionary. Medical-dictionary.thefreedictionary.com. [2014-12-02]. （原始内容存档于2022-02-10）.
- ^ Production of PET Radionuclides. Austin Hospital, Austin Health. [6 December 2012]. （原始内容存档于15 January 2013）.
- ^ Timmer, John. Lightning strikes leave behind a radioactive cloud. Ars Technica. 25 November 2017 [2022-02-10]. （原始内容存档于2022-02-10） （美国英语）.
- ^ Teruaki Enoto; et al. Photonuclear reactions triggered by lightning discharge. Nature. Nov 23, 2017, 551 (7681): 481–484. Bibcode:2017Natur.551..481E. PMID 29168803. arXiv:1711.08044 . doi:10.1038/nature24630.
- Isotope masses from Ame2003 Atomic Mass Evaluation by G. Audi, A.H. Wapstra, C. Thibault, J. Blachot and O. Bersillon in Nuclear Physics A729 (2003).
- Isotopic compositions and standard atomic masses from Atomic weights of the elements. Review 2000 (IUPAC Technical Report) （页面存档备份，存于互联网档案馆）. Pure Appl. Chem. Vol. 75, No. 6, pp. 683-800, (2003) and Atomic Weights Revised (2005) （页面存档备份，存于互联网档案馆）.
- Half-life, spin, and isomer data selected from these sources. Editing notes on this article's talk page.
- Audi, Bersillon, Blachot, Wapstra. The Nubase2003 evaluation of nuclear and decay properties （页面存档备份，存于互联网档案馆）, Nuc. Phys. A 729, pp. 3-128 (2003).
- National Nuclear Data Center, Brookhaven National Laboratory. Information extracted from the NuDat 2.1 database （页面存档备份，存于互联网档案馆） (retrieved Sept. 2005).
- David R. Lide (ed.), Norman E. Holden in CRC Handbook of Chemistry and Physics, 85th Edition, online version. CRC Press. Boca Raton, Florida (2005). Section 11, Table of the Isotopes.