Hapen isotoopit

Wikipediasta
Siirry navigaatioon Siirry hakuun
Massiivisen tähden elinajan lopulla 16O keskittyy O-kuoreen, 17O H-kuoreen ja 18O He-kuoreen.

Hapen isotoopit ovat nuklideja, joiden atomien ytimissä on kahdeksan protonia ja eri määrä (4–16) neutronia. Hapella on kolme vakaata isotooppia, 16O, 17O ja 18O. Lisäksi hapella on joukko epävakaita, radio­aktiivisia isotooppeja, joiden massa­luvut vaihtelevat välillä 12–24, mutta ne ovat kaikki lyhytikäisiä: niistä pitkä­ikäisimmänkin, 15O:n puoliintumisaika on 122,24 sekuntia.[1] Lyhytikäisin tunnettu hapen isotooppi on 12O, jonka puoliintumis­aika on 580(30) × 10-24 sekuntia.

Vakaat isotoopit

[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Luonnon happi koostuu kolmesta vakaasta isotoopista: happi-16 (16O), happi-17 (17O) ja happi-18 (18O). Näistä yli­voimaisesti yleisin on happi-16, jota luonnon hapessa on noin 99,756 prosenttia. Sen massaluku on 16. Näin ollen hapen suhteellinen atomipaino onkin lähellä lukua 16; tarkemmin sanottuna se on 15,9994(3). Hapen muiden tunnettujen iso­tooppien massaluvut vaihtelevat välillä 12–24.

Isotooppi 16O on sekä suhteellisesti että absoluuttisesti poikkeuksellisen yleinen, koska se on yksi tähtien kehityksen loppu­tuotteista. Se on primaarinen isotooppi, toisin sanoen sitä syntyy tähdissä, jotka alun perin koostuvat pelkästään vedystä.[2] Suurin osa isotoopista 16 syntyy nukleosynteesin loppu­tuotteena tähtien heliumfuusiossa, jossa kolme alfa­hiukkasta yhtyy ensin hiiliytimeksi 12C (hiili-12), joka sitten voi vielä siepata alfahiukkasen muodostaen ytimen 16O. Neonin palamis­prosessissa syntyy vielä lisää happea 16O.[2]

Sekä 17O ja 18O ovat sekundaarisia isotooppeja, mikä merkitsee, että niiden nukleo­synteesi edellyttää, että läsnä on jo tiettyjä nuklideja. Happi-17 (17O) syntyy pääasiassa vedyn palaessa heliumiksi CNO-syklissä, minkä vuoksi sitä esiintyy tähdissä runsaasti sillä vyöhykkeellä, jossa vety fuusioituu.[2] Happi-18 (18O) syntyy, kun typpi-isotooppi 14N, jota CNO-palamisen vuoksi on runsaasti, kaappaa heliumytimen 4He, minkä vuoksi tätä isotooppia esiintyy tähdissä eniten niissä kerroksissa, joissa on eniten heliumia.[2] Vasta noin miljardin celsiusasteen lämpötilassa happi­ytimetkin fuusioituvat muodostaen raskaampia ytimiä kuten rikkiä.[3]

Isotooppien O-18 ja O-16 suhdetta on usein käytetty paleoklimatologiassa maapallon muinaisten ilmaston­muutosten selvittämiseen. Nykyisin Maan ilmakehässä olevista happiatomeista noin 99,756 % on 16-, 0,039 % 17O- ja 0,205 % 18O-atomeja.[4] Koska kuitenkin ne vesimolekyylit (H2O), joissa oleva happi­atomi on hapen kevyintä isotooppia, haihtuvat hieman herkemmin kuin ne, joissa sen paikalla on jompikumpi raskaammista isotoopeista,[5] hapen raskainta isotooppia 18O on sadeveden ja sen vuoksi myös järvi- ja jokivesien sekä napajäätiköiden hapessa hieman vähemmän (0,1981 %) kuin ilman (0,205 %) tai meriveden hapessa (0,1995 %). Kun ero isotooppien haihtuvaisuuden välillä riippuu myös veden lämpötilasta, tämä tekee mahdolliseksi päätellä vanhojen jää­kerrostumien perusteella, onko maapallon ilmasto muinaisina aikoina ollut nykyistä lämpimämpi tai viileämpi. Paleo­klimato­logiassa puhutaankin happi-isotooppivaiheista, ajan­jaksoista, jolloin muodostuneen jään happi-isotooppi­koostumus on nykyisin muodostuvasta poikkeava.

Ennen kuin atomimassayksikkö (u) vuonna 1961 määriteltiin nykyisellä tavalla 12C-atomin perusteella, asteikon perustana käytettiin happi­atomia, jonka massa määriteltiin 16 yksiköksi (amu).[6] Kun kuitenkin fyysikot käyttivät vertailu­kohteena isotooppia 16O, kemistit sen sijaan luonnossa esiintyvän isotooppi­seoksen keski­määräistä atomimassaa, seurauksena oli pieni, mutta merkitsevä ero eri yhteyksissä käytettyjen atomimassa-asteikkojen välille.

Radioisotoopit

[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Hapelle tunnetaan myös 14 radioisotooppia. Pitkäikäisimmät niistä on 15O, jonka puoliintumisaika on 122,24 s, ja 14O, jonka puoliintumisaika on 70,606 s.[1] Hapen kaikkien muiden radioa­ktiivisten isotooppien puoliintumis­aika on pienempi kuin 27 s ja useimpien niistä pienempi kuin 83 ms.[1] Esimerkiksi 24O:n puoliintumisaika on 61 ms.[1] Useimmat hapen vakaita isotooppeja kevyemmät isotoopit hajoavat ß+-hajoamisella typen isotoopeiksi.[7][8][9], vakaita isotooppeja raskaammat sen sijaan ß--hajoamisella fluorin isotoopeiksi.

Happi-13

[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Happi-13 on hapen epävakaa isotooppi. Sen atomin ytimessä on 8 protonia ja 5 neutronia. Sen spin on 3/2- ja puoliintumisaika 8,48 ms. Sen atomimassa on 13,0248 atomimassayksikköä. Se hajoaa elektroni­sieppauksella typpi-13:ksi, ja sen hajoamisenergia on 17,765 MeV.[1] Sitä syntyy fluori-14:n hajotessa.[10]

Happi-15

[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Happi-15 on isotooppi, jota käytetään isotooppilääketieteessä positroniemissiotomografiassa eli PET-kuvauksissa. Sen atomin ytimessä on 8 protonia ja 7 neutronia, ja atomin massa on 15,0030654 atomi­massa­yksikköä. Sen puoliintumis­aika on 122,24 sekuntia.[11] Happi-15:tä valmistetaan pommittamalla typpi-14-atomeja protoneilla syklotronissa.[12] Happi-15:lla leimattua vettä (radiovesi) käytetään radiolääkkeenä sydänlihasperfuusion PET/TT-kuvantamisessa.[13]

Taulukko

[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]
nuklidi
merkki 		Z(p) N(n)  
isotoopin massa (u)
  		puoliintumisaika hajoamistapa
(-tavat)[14] 		tytär-
isotooppi
(-isotoopit)[n 1] 		ydin-
spin 		suhteellinen
osuus luonnon
hapesta
(moolin murto-osina) 		luonnollinen
vaihteluväli
(moolin murto-osina)
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 ß+ (89,1%) 13N (3/2-)
ß+, p (10,9%) 12C
14O 8 6 14,00859625(12) 70,598(18) s ß+ 14N 0+
15O 8 7 15,0030656(5) 122,24(16) s ß+ 15N 1/2-
16O[n 2] 8 8 15,99491461956(16) Vakaa 0+ 0,99757(16) 0,99738–0,99776
17O[n 3] 8 9 16,99913170(12) Vakaa 5/2+ 3,8(1)·10-4 3,7·10-4–4,0·10-4
18O[n 2][n 4] 8 10 17,9991610(7) Vakaa 0+ 2,05(14)·10-3 1,88·10-3–2.22·10-3
19O 8 11 19,003580(3) 26,464(9) s ß- 19F 5/2+
20O 8 12 20,0040767(12) 13,51(5) s ß- 20F 0+
21O 8 13 21,008656(13) 3,42(10) s ß- 21F (1/2,3/2,5/2)+
22O 8 14 22,00997(6) 2,25(15) s ß- (78,0%) 22F 0+
ß-, n (22.0%) 21F
23O 8 15 23,01569(13) 82(37) ms ß-, n (57,99%) 22F 1/2+#
ß- (42,0%) 23F
24O 8 16 24,02047(25) 65(5) ms ß-, n (57,99%) 23F 0+
ß- (42,01%) 24F
  1. ↑ Stabiilit isotoopit lihavoitu
  2. ↑ a b Isotooppien 16O ja 18O suhdetta käytetään paleoklimatologiassa muinaisten lämpötilojen tutkimiseen
  3. ↑ Voidaan käyttää aineenvaihdunnan NMR-tutkimukseen
  4. ↑ Voidaan käyttää eräisiin lääketieteellisiin tutkimuksiin

Huomautukset

[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]
  • Eri isotooppien suhteellista osuutta luonnon hapessa ei voida tarkoin ilmoittaa, koska se vaihtelee jonkin verran. Kaikissa normaaleissa maasta löydetyistä materiaaleissa se kuitenkin on tässä ilmoitetun vaihteluvälin sisällä.
  • Merkillä # varustettuja lukuja ei ole saatu suoraan koetuloksista, vaan ne perustuvat ainakin osittain systemaattisiin trendeihin. Spinit, jotka arvot on päätelty epävarmoin perustein, on merkitty sulkuihin.
  • Epätarkkuudet on merkitty tiivissä muodossa sulkuihin viimeisen desimaalin jälkeen. Ne tarkoittavat yhtä standardi­poikkeamaa, paitsi isotooppi­koostumukset ja IUPAC:n standardit atomimassat joissa käytetään laajennettuja epätarkkuuksia.
  • Nuklidien massat ovat IUPACin symboli-, yksikkö-, nimistö-, atomimassa- ja perus­vakio­komission (SUNAMCO) mukaiset.
  1. Isotooppien suhteelliset osuudet ovat IUPAC:in isotooppi­koostumus- ja atomi­paino­komission mukaiset.

Lähteet

[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]
  1. ↑ a b c d e Periodic Table of Elements: O – Oxygen EnvironmentalChemistry.com. Viitattu 14.10.2016.
  2. ↑ a b c d B. S. Meyer: Nucleosynthesis and galactic chemical evolution of the isotopes of oxygen. (Esitelmä tieteellisessä konferenssissa) Gatlinburg, Tennessee: Workgroup on Oxygen in the Earliest Solar System, 19–21.9.2005. Teoksen verkkoversio.
  3. ↑ John Emsley: ”Oxygen”, Nature's Building Blocks: An A–Z Guide to the Elements, s. 297. Oxford University Press, 2001. ISBN 0-19-850340-7
  4. ↑ Daniel L. Lapedes: ”Chemical Elements”, Dictionary of Physics and Mathematics, s. A29. McGraw–Hill, 1978. Virhe: Virheellinen ISBN-tunniste
  5. ↑ W. Dansgaard: Stable isotopes in precipitation. Tellus, 1964, 16. vsk, s. 436–468. doi:10.1111/j.2153-3490.1964.tb00181.x.
  6. ↑ G. D. Parks, J. W. Mellor: Mellor's Modern Inorganic Chemistry. Lontoo: Longmans, Green and Co., 1939.
  7. ↑ NUDAT nndc.bnl.gov. Arkistoitu 4.10.2018. Viitattu 14.10.2016.
  8. ↑ NUDAT nndc.bnl.gov. Arkistoitu 7.6.2022. Viitattu 14.10.2016.
  9. ↑ NUDAT nndc.bnl.gov. Arkistoitu 7.6.2022. Viitattu 14.10.2016.
  10. ↑ Periodic Table of Elements: F – Fluorine EnvironmentalChemistry.com. Viitattu 14.10.2016.
  11. ↑ Oxygen 15 – definition of oxygen 15 by Medical dictionary Medical-dictionary.thefreedictionary.com. Viitattu 14.10.2016.
  12. ↑ Production of PET Radionuclides Austin Hospital, Austin Health. Arkistoitu 30.3.2014.
  13. ↑ Remes, Taija: Happi-15-veden käyttö sydänlihasperfuusion PET/TT-tutkimuksessa Opinnäytetyö, Savonia-ammattikorkeakoulu. 2014. Viitattu 6.5.2022.
  14. ↑ Universal Nuclide Chart Nucleonica.

Aiheesta muualla

[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]
Käännös suomeksi
Käännös suomeksi
Tämä artikkeli tai sen osa on käännetty tai siihen on haettu tietoja muunkielisen Wikipedian artikkelista.
Alkuperäinen artikkeli: en:Isotopes of oxygen
Noudettu kohteesta ”https://fi.wikipedia.org/w/index.php?title=Hapen_isotoopit&oldid=22778029”