Hay tres isótopos estables conocidos del oxígeno ( 8O ):16Oh,17Oh, y18Oh.
Isótopos radiactivos que van desde11
Oh
a28
Oh
También se han caracterizado, todos de vida corta. El radioisótopo de vida más larga es15
Oh
con una vida media de122.266(43) s , mientras que el isótopo de vida más corta es el no unido 11
Oh
con una vida media de198(12) yoctosegundos , aunque no se han medido las vidas medias de los isótopos pesados no unidos27
Oh
y28
Oh
. [3]
El oxígeno natural está formado por tres isótopos estables :16Oh,17Oh, y18Oh, con16
Oh
siendo el más abundante (99,762% de abundancia natural ). Dependiendo de la fuente terrestre, el peso atómico estándar varía dentro del rango de [15.999 03 ,15.999 77 ] (el valor convencional es 15.999).
16
Oh
tiene una abundancia relativa y absoluta alta porque es un producto principal de la evolución estelar y porque es un isótopo primario, lo que significa que puede ser producido por estrellas que inicialmente eran solo hidrógeno . [10] La mayoría16
Oh
se sintetiza al final del proceso de fusión del helio en las estrellas ; el proceso triple alfa crea12do, que captura un adicional4Élnúcleo para producir16
Oh
El proceso de quema de neón crea más16
Oh
. [10]
Ambos17
Oh
y18
Oh
Son isótopos secundarios, lo que significa que su síntesis requiere núcleos semilla.17
Oh
Se produce principalmente quemando hidrógeno para convertirlo en helio en el ciclo CNO , lo que lo convierte en un isótopo común en las zonas de combustión de hidrógeno de las estrellas. [10] La mayoría18
Oh
se produce cuando14
norte
(que se hace abundante a partir de la quema de CNO) captura una4
Él
núcleo, convirtiéndose18FEsta beta se desintegra rápidamente (vida media de alrededor de 110 minutos) en18
Oh
haciendo que ese isótopo sea común en las zonas ricas en helio de las estrellas. [10] Se necesitan temperaturas del orden de 10 9 kelvin para fusionar el oxígeno en azufre . [11]
Se le asignó una masa atómica de 16 al oxígeno antes de la definición de la unidad de masa atómica unificada basada en12
do
. [12] Dado que los físicos se refirieron a16
Oh
Sólo que, aunque los químicos se referían a la mezcla natural de isótopos, esto conducía a escalas de masa ligeramente diferentes.
Las mediciones de la relación 18 O/ 16 O se utilizan a menudo para interpretar los cambios en el paleoclima . El oxígeno en el aire de la Tierra es99,759% 16
Oh
,0,037% 17
Oh
y0,204% 18
Oh
. [13] Las moléculas de agua con un isótopo más ligero tienen una probabilidad ligeramente mayor de evaporarse y una probabilidad menor de caer como precipitación , [14] por lo que el agua dulce y el hielo polar de la Tierra tienen una probabilidad ligeramente menor (0,1981% )18
Oh
que el aire (0,204% ) o agua de mar (0,1995% ). Esta disparidad permite el análisis de patrones de temperatura a través de núcleos de hielo históricos .
Las muestras sólidas (orgánicas e inorgánicas) para las proporciones isotópicas de oxígeno generalmente se almacenan en copas de plata y se miden con pirólisis y espectrometría de masas . [15] Los investigadores deben evitar el almacenamiento inadecuado o prolongado de las muestras para obtener mediciones precisas. [15]
Debido a que el oxígeno natural es mayoritariamente16
Las muestras de O enriquecidas con otros isótopos estables se pueden utilizar para el marcaje isotópico . Por ejemplo, se ha demostrado mediante experimentos de rastreo isotópico que el oxígeno liberado en la fotosíntesis tiene su origen en el H 2 O , en lugar del también consumido CO 2 . El oxígeno contenido en el CO 2 se utiliza a su vez para formar los azúcares formados por la fotosíntesis.
En los reactores nucleares de agua pesada, el moderador de neutrones debe ser preferiblemente de bajo contenido.17
O y18
O debido a su mayor sección transversal de absorción de neutrones en comparación con16
O . Si bien este efecto también se puede observar en reactores de agua ligera , el hidrógeno ordinario ( protio ) tiene una sección transversal de absorción más alta que cualquier isótopo estable de oxígeno y su densidad numérica es el doble de alta en agua que la del oxígeno, por lo que el efecto es insignificante. Como algunos métodos de separación de isótopos enriquecen no solo los isótopos más pesados de hidrógeno sino también los isótopos más pesados de oxígeno al producir agua pesada , la concentración de17
O y18
O puede ser considerablemente más alto. Además, el17
O (n,α)14
La reacción del C es otro resultado indeseable de una concentración elevada de isótopos más pesados del oxígeno. Por lo tanto, las instalaciones que eliminan el tritio del agua pesada utilizada en los reactores nucleares a menudo también eliminan o al menos reducen la cantidad de isótopos más pesados del oxígeno.
Los isótopos de oxígeno también se utilizan para rastrear la composición y la temperatura del océano de donde provienen los mariscos . [16]
Se han caracterizado trece radioisótopos ; los más estables son15
Oh
con vida media 122.266(43) s y14
Oh
con vida media70.621(11) s . Todos los radioisótopos restantes tienen vidas medias menores a27 s y la mayoría tienen vidas medias inferiores a 0,1 s. Los cuatro isótopos más pesados conocidos (hasta28
Oh
) desintegración por emisión de neutrones a24
Oh
, cuya vida media es77,4(4,5) ms . Este isótopo, junto con el 28 Ne , se ha utilizado en el modelo de reacciones en la corteza de las estrellas de neutrones. [17] El modo de desintegración más común para los isótopos más ligeros que los isótopos estables es la desintegración β + a nitrógeno , y el modo más común después es la desintegración β − a flúor .
El oxígeno-13 es un isótopo inestable , con 8 protones y 5 neutrones. Tiene espín 3/2− y vida media 8,58(5) ms . Su masa atómica es13.024 815 (10) Da . Se desintegra en nitrógeno-13 por captura de electrones, con una energía de desintegración de17.770(10) MeV . Su nucleido parental es el flúor-14 .
El oxígeno-14 es el segundo radioisótopo más estable. Los haces de iones de oxígeno-14 son de interés para los investigadores de núcleos ricos en protones; por ejemplo, un experimento temprano en la Instalación de Haces de Isótopos Raros en East Lansing, Michigan , utilizó un haz de 14 O para estudiar la transición de desintegración beta de este isótopo a 14 N. [18] [19]
El oxígeno-15 es un radioisótopo que se utiliza a menudo en la tomografía por emisión de positrones (PET). Se puede utilizar, entre otras cosas, en el agua para la obtención de imágenes de perfusión miocárdica mediante PET y para la obtención de imágenes cerebrales . [20] [21] Tiene una masa atómica de15.003 0656 (5) , y una vida media de122.266(43) s . Se produce mediante el bombardeo de nitrógeno-14 con deuterones utilizando un ciclotrón . [22]
El oxígeno-15 y el nitrógeno-13 se producen en el aire cuando los rayos gamma (por ejemplo, de los rayos ) expulsan neutrones del 16 O y del 14 N: [23]
15
Oh
se desintegra en15
norte
, emitiendo un positrón . El positrón se aniquila rápidamente con un electrón, produciendo dos rayos gamma de aproximadamente 511 keV. Después de un rayo, esta radiación gamma se apaga con una vida media de 2 minutos, pero estos rayos gamma de baja energía viajan en promedio solo unos 90 metros a través del aire. Junto con los rayos producidos por positrones del nitrógeno-13, solo pueden detectarse durante un minuto aproximadamente como la "nube" de15
Oh
y13
norte
flota, llevado por el viento. [8]
El oxígeno-20 tiene una vida media de13,51 ± 0,05 s y se desintegra por desintegración β − a 20 F. Es una de las partículas eyectadas por desintegración en cúmulo conocidas , siendo emitida en la desintegración de 228 Th con una relación de ramificación de aproximadamente(1,13 ± 0,22) × 10 −13 . [24]