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 pitkä­ikäisimmänkin, 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. 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</sup>, 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 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. Happi-15:tä valmistetaan pommittamalla typpi-14-atomeja protoneilla syklotronissa. Happi-15:lla leimattua vettä (radiovesi) käytetään radiolääkkeenä sydänlihasperfuusion PET/TT-kuvantamisessa.

Taulukko

Huomautukset 
 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.
 Isotooppien suhteelliset osuudet ovat IUPAC:in isotooppi­koostumus- ja atomi­paino­komission mukaiset.

Lähteet

Aiheesta muualla 
Periodictable: Isotopes of Oxygen 

Isotoopit