氧的同位素
氧（原子量：15.9994）共有18個已知同位素，質量數介於11-28之間，其中有3個是穩定的，分別是16O、17O、18O，其中以16O占天然氧的絕大部分，豐度為99.76%。在氧的放射性同位素當中，15O半衰期最長，達122.266秒；而原子核滴線外的11O半衰期最短，只有1.98×10-22秒，但目前仍未測量同處原子核滴線外的27O和28O的半衰期。[2]
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| 標準原子質量 (Ar, 標準) |
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圖表
| 符號 | Z | N | 同位素質量（u） [n 1] |
半衰期 [n 1] |
衰變 方式[3] |
衰變 產物 [n 2] |
原子核 自旋[n 3] |
相對豐度 （莫耳分率）[n 1] |
相對豐度 的變化量 （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 4] | 8 | 8 | 15.994914619257(319) | 穩定 | 0+ | 0.99757(16) | 0.99738–0.99776 | ||
| 17O[n 5] | 8 | 9 | 16.999131755953(692) | 穩定 | 5/2+ | 3.8(1)×10−4 | 3.7×10−4–4.0×10−4 | ||
| 18 O [n 4][n 6] |
8 | 10 | 17.999159612136(690) | 穩定 | 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+ | ||||
穩定同位素
氧的3種穩定同位素是16O、17O、18O，其中16O最多，豐度為99.762 %[5]。
16O的豐度最大可以由恆星進化論解釋。大爆炸產生宇宙時僅形成了氫和氦元素，其他元素都是透過後來的恆星中進行的核聚變反應合成的[6]。在恆星內，質子-質子鏈反應與碳氮氧循環首先進行，「燃燒」氫產生氦。隨着燒氫的進行，核在自身重力下收縮，中心溫度上昇，當溫度超過約1億K時，「燃燒」氦的3氦過程開始，由此產生12C，然後又與氦（4He）原子核反應生成16O。大部分的16O由此產生。
17O的豐度為0.037%，18O為0.204%，是微量的穩定同位素。17O主要是在恆星的碳氮氧循環中，氫燃燒產生氦時合成的[6]。而18O是14N捕獲4He合成的（14N由碳氮氧循環產生）。因此，17O主要於恆星的氫殼富集，18O主要於恆星的氦殼富集。[6]
放射性同位素
氧有十三種放射性同位素已獲得表徵，其中最穩定的是半衰期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於27秒，大部分甚至小於0.1秒。[5]半衰期77.4毫秒的24O和28Ne都被用於研究中子星表面的核反應。[7]對於輕於穩定同位素的氧同位素，它們最常見的衰變模式是β+衰變成氮，[8][9][10]而較重的同位素則透過β−衰變衰變成氟。
氧-15
氧-15是氧的放射性同位素，常以氧-15水的形式用於正電子斷層掃描（PET）的心肌灌注成像和腦成像。[11][12]它有8個質子和7個中子，原子量為15.0030654 amu，半衰期122.24秒。[13]氧-15可以由在回旋加速器中用氘轟擊氮-14而成。[14]
氧-15和氮-13分別由γ射線把大氣中的氧-16和氮-14的一個中子轟掉而成：[15]
- 16O + γ → 15O + n
- 14N + γ → 13N + n
氧-15會以約兩分鐘的半衰期衰變成氮-15，並放出一個正電子。這個正電子迅速和一個電子湮滅，並產生兩個能量約為511 keV的γ射線。這些低能量的γ射線只能在空氣中移動90米。它和來自氮-13的正電子產生的γ射線一樣只能在一分鐘內左右檢測到，因為15O和13N的「雲」會隨風飄散。[16]
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參考文獻
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- 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.