250px|thumb|Egy nagyobb csillag élete vége felé az 16O az O-héjban, az 17O a H-héjban és az 18O a He-héjban koncentrálódik

Az oxigénnek három stabil izotópja van, így az oxigén standard atomtömege 15,9994(3) u. További 14 izotóp ismert, melyek nem stabilak.

Stabil izotópok A természetben előforduló oxigén három stabil izotópból áll, ezek az 16O (8 proton és 8 neutron), 17O és 18O (8 proton és 10 neutron). Természetes előfordulásuk szempontjából a 16O a leggyakoribb (99,762%), ezt követi a 18O (0.204%), végül a17O (0,037%). Ez az arány folyamatosan változik, így segítségül tud szolgálni a paleoklimatológia számára a múltban történt éghajlatváltozások feltérképezésében. Az ismert oxigénizotópok tömegszáma 12–28.

A 16O relatív és abszolút értelemben vett gyakori előfordulásának oka az, hogy a csillagfejlődés fő terméke és elsődleges (primer) izotóp. Ez azt jelenti, hogy a kezdetben kizárólag hidrogénből álló csillagokban is keletkezik.Meyer 2005 A 16O legnagyobb része a csillagok hélium fúziós folyamatának végén szintetizálódik, a három-alfa folyamat során 12C jön létre, mely egy további 4He befogásával 16O-tá alakul. A neon-égető folyamat további 16O-ot termel.

Mind a 17O és az 18O másodlagos izotópok, azaz keletkezésükhöz megfelelő kiindulási mag szükséges. 17O elsősorban a hidrogén héliummá történő égése során keletkezik a CNO-ciklusban, emiatt megtalálható a csillagok hidrogént égető zónájában. Az 18O legnagyobb része akkor keletkezik, amikor (a CNO-ciklusban felgyűlő) 14N egy 4He magot fog be, emiatt a 18O a csillagok héliumban gazdag zónájában fordul elő. Ahhoz, hogy két oxigén mag fúziós reakciójával kén keletkezhessen, mintegy egymilliárd Celsius-fok szükséges.Emsley 2001, p.297

Radioizotópok 14 radioizotópot jellemeztek, melyek közül a legstabilabb az 15O (felezési ideje 122,24 másodperc) és az 14O (felezési ideje 70,606 másodperc). A többi radioaktív izotóp felezési ideje kevesebb mint 27 másodperc, többségüké 83 ezredmásodpercnél is kevesebb. A stabil izotópokénál kisebb atomtömeg esetén a leggyakoribb bomlási mód az elektronbefogás, míg a nehezebb izotópok leggyakrabban béta-bomlók. Előbbiek bomlásterméke a 7. elem (nitrogén) izotópja, míg a nehezebb oxigénizotópok fluorrá bomlanak.

Az atomi tömegegység 12C-n alapuló definícióját megelőzően az oxigén atomtömegét 16-nak vették.Mellor 1939, Chapter VI, Section 7 Mivel a fizikusok a tiszta 16O-ot vették alapul, a kémikusok viszont az oxigén természetben előforduló izotópkeverékét tekintették alapnak, ennek eredménye két, kissé eltérő atomtömeg skála lett.

Szerepe az éghajlat meghatározásában Az oxigén izotópösszetétele a földi légkörben 99,759% 16O, 0,037% 17O és 0,204% 18O.Cook 1968, p.500 Mivel a könnyebb izotópot tartalmazó vízmolekulák valamivel könnyebben párolognak el és hullanak le csapadékként,Dansgaard 1964 az édesvíz és a sarki jégsapkák 18O tartalma egy kicsit kevesebb (0,1981%), mint a levegőé (0,204%) vagy a tengervízé (0,1995%). Emiatt ennek az aránynak a nyomon követését a tudósok a múlt klímaváltozásainak megállapítására használják.

A 16O-t tartalmazó vízmolekulák könnyebbek a kettővel kevesebb neutron miatt, így kevesebb energiát igényelnek az elpárologáshoz, viszont nehezebben kondenzálódnak. A „nehéz” oxigént tartalmazó vízmolekulákkal pedig pont fordítva van: ezek nehezebben párolognak és könnyebben kondenzálódnak. Ennek okán a levegőben nagyobb mennyiségben található meg a könnyebb oxigént tartalmazó vízmolekula, míg az óceánok vízében nagyobb mennyiségben lesz a H218O. A levegőben levő H2O a sarkok felé vándorol, és a H218O hamarabb lecsapódik, míg a H216O csak a sarkokon, ahol a jégsapkában és a gleccserekben raktározódik, amik így nagyobb mennyiségben fognak tartalmazni „könnyű oxigént”. Interglaciális időszakban a jégtakarók és gleccserek megolvadnak, így a 16O visszajut az óceánok vizébe, és ismét megnő ott a koncentrációja.

Ennek az összefüggésnek a tanulmányozásával először Harold Urey Nobel-díjas kémikus foglalkozott. A II. világháború után kezdte tanulmányozni a 16O és 18O arányát vízben, és észrevette, hogy az arány változik a hőmérséklet változásával. A minta izotópos összetételét egy ismert összetételű standardhoz viszonyítva mérjük.

Minták elemzése A mintákat általában tömegspektrométerrel (MS) szokták elemezni. Alapja, hogy az ionok elektromágneses térben tömeg/töltés hányadosuk alapján szétválnak. Ahhoz, hogy adott mintában meg tudjuk állapítani, hogy az elemnek milyen izotópjai vannak jelen egy nagyon érzékeny műszerre van szükségünk, mivel az izotópok tömege közötti különbség nagyon kicsi, illetve egyes izotópok nagyon ritkák, ezért megkülönböztetjük az izotóparány tömegspektrometriát (IRMS), amit külön izotópok elemzésére fejlesztettek ki.

Szerepe a Naprendszer vizsgálatában A Földkéreg általában több 18O-t tartalmaz, mint a Földköpeny, ami a felső rétegekben található kőzetek a hidroszférával és a légkörrel való reakciójának eredménye. Ez lehetővé teszi a felszínre emelkedő magma vizsgálatát, hogy milyen mértékben tartalmaz a kéregből származó kőzeteket. Az izotópok használata így felhasználható a Naprendszerben lezajlott folyamatok feltérképezésére. A meteoritok a Naprendszer történetének nagyon korai szakaszában megszilárdult objektumai, amelyek kormeghatározására hasznos az oxigénizotópok vizsgálata.

Táblázat

| 11O | style="text-align:right" | 8 | style="text-align:right" | 3 | 11,05125(6) | 198(12) ys | (3/2−)

| 12O | style="text-align:right" | 8 | style="text-align:right" | 4 | 12,034405(20) | 580(30) s [0,40(25) MeV] | 0+

| 13O | style="text-align:right" | 8 | style="text-align:right" | 5 | 13,024812(10) | 8,58(5) ms | (3/2‒)

| 14O | style="text-align:right" | 8 | style="text-align:right" | 6 | 14,00859625(12) | 70,598(18) s | 0+

| 15O | style="text-align:right" | 8 | style="text-align:right" | 7 | 15,0030656(5) | 122,24(16) s | 1/2‒

| 16O | style="text-align:right" | 8 | style="text-align:right" | 8 | 15,99491461956(16) | style="text-align:center" | stabil | 0+ | 0,99757(16) | 0,99738–0,99776 |- | 17O | style="text-align:right" | 8 | style="text-align:right" | 9 | 16,99913170(12) | style="text-align:center" | stabil | 5/2+ | 0,00038(1) | 0,00037–0,00040 |- | 18O | style="text-align:right" | 8 | style="text-align:right" | 10 | 17,9991610(7) | style="text-align:center" | stabil | 0+ | 0,00205(14) | 0,00188–0,00222 |- | 19O | style="text-align:right" | 8 | style="text-align:right" | 11 | 19,003580(3) | 26,464(9) s | 5/2+

| 20O | style="text-align:right" | 8 | style="text-align:right" | 12 | 20,0040767(12) | 13,51(5) s | 0+

| 21O | style="text-align:right" | 8 | style="text-align:right" | 13 | 21,008656(13) | 3,42(10) s | (1/2,3/2,5/2)+

| 22O | style="text-align:right" | 8 | style="text-align:right" | 14 | 22,00997(6) | 2,25(15) s | 0+

| 23O | style="text-align:right" | 8 | style="text-align:right" | 15 | 23,01569(13) | 82(37) ms | 1/2+#

| 24O | style="text-align:right" | 8 | style="text-align:right" | 16 | 24,02047(25) | 65(5) ms | 0+

| 25O | style="text-align:right" | 8 | style="text-align:right" | 17 | 25,02946(28)# | <50 ns | (3/2+)#

| 26O | style="text-align:right" | 8 | style="text-align:right" | 18 | 26,03834(28)# | <40 ns | 0+

| 27O | style="text-align:right" | 8 | style="text-align:right" | 19 | 27,04826(54)# | <260 ns | 3/2+#

| 28O | style="text-align:right" | 8 | style="text-align:right" | 20 | 28,05781(64)# | <100 ns | 0+

Megjegyzések: Az izotópok gyakoriságát, valamint az atomtömeg pontosságát az egyes előfordulások közötti eltérések korlátozzák. A megadott tartomány lefedi a Földön előforduló összes szokványos anyagot. A # jelölésű értékek nem kizárólag kísérleti adatokból származnak, ezeknél rendszeres tendenciákat is figyelembe vettek. A gyenge asszignációs argumentumú spineket zárójelben jelöltük. A bizonytalanságokat rövid formában – a megfelelő utolsó számjegy után zárójelben – adjuk meg. A bizonytalanság értéke egy standard deviációnak felel meg, leszámítva a IUPAC által megadott izotóp-összetételt és standard atomtömeget, melyeknél kiterjesztett bizonytalanságot használunk.

Jegyzetek

Fordítás

Források Cook 1968: Emsley 2001: Dansgaard 1964: Willi Dansgaard (1964): Stable isotopes in precipitation, Tellus-A 16, pp.436-468, Mellor 1939: Meyer 2005:

A táblázathoz Izotóptömegek: Ame2003 Atomic Mass Evaluation by G. Audi, A.H. Wapstra, C. Thibault, J. Blachot and O. Bersillon in Nuclear Physics A729 (2003). Izotópösszetétel és standard atomtömegek: Atomic weights of the elements. Review 2000 (IUPAC Technical Report). Pure Appl. Chem. Vol. 75, No. 6, pp. 683–800, (2003) and Atomic Weights Revised (2005) . A felezési időkre, a spinekre és az izomer adatokra vonatkozó információk az alábbi forrásokból származnak: Audi, Bersillon, Blachot, Wapstra. The Nubase2003 evaluation of nuclear and decay properties , Nuc. Phys. A 729, pp. 3–128 (2003). National Nuclear Data Center, Brookhaven National Laboratory. Information extracted from the NuDat 2.1 database (Hozzáférés ideje: 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.

Kategória:Izotópok