Hapen isotoopit

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 pitkä­ikäisimminkin, ¹⁵O:n puoliintumisaika on 122,24 sekuntia. Lyhytikäisin tunnettu hapen isotooppi on ¹²O, jonka puoliintumis­aika on 580(30) × 10⁻²⁴ sekuntia.

Vakaat isotoopit

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 ja se on primaarinen isotooppi, toisin sanoen sitä syntyy tähdissä, jotka alun perin koostuvat pelkästään vedystä. 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.
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. 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. Vasta noin miljardin celsiusasteen lämpötilassa happi­ytimetkin fuusioituvat muodostaen raskaampia ytimiä kuten rikkiä.
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. Koska kuitenkin ne vesimolekyylit (H₂O), joissa oleva happi­atomi on hapen kevyintä isotooppia, haihtuvat hieman herkemmin kuin ne, joissa sen paikalla on jompikumpi raskaammista isotoopeista, 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). 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

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

Happi-13

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. Sitä syntyy fluori-14:n hajotessa.

Happi-15

Happi-15 on isotooppi, jota paljon käytetään positroniemissiotomografiassa eli PET-kuvauksissa. Sen atomin ytimessä on 8 protonia ja 8 neutronia, ja atomin massa on 15,0030654 atomi­massa­yksikköä. Sen puoliintumis­aika on 122,24 sekuntia. Happi-15:tä valmistetaan pommittamalla typpi-14-atomeja protoneilla syklotronissa.