نظائر الأكسجين

توجد ثلاثة نظائر مستقرة معروفة للأكسجين ( 8O ) ^: ₁₆O , ¹⁷O و ¹⁸تُعرف النظائر المشعة من ^11O إلى ^{28O (المرتبطة بالجسيمات من العدد الكتلي 13 إلى 24) ،} وأكثرها استقرارًا هي 15Oالأكسجين بنصف عمر يبلغ 122.27 ثانية و ¹⁴يبلغ عمر النصف للأكسجين 70.62 ثانية. أما جميع النظائر المشعة المتبقية، فعمر نصفها أقصر. أما أثقل أربعة نظائر معروفة (حتى ²⁸⁾يتحلل الأكسجين (O ) عن طريق انبعاث النيوترونات إلى ²⁴تم استخدام نظير الأكسجين -18 ( O ^-24) ، الذي يبلغ عمر النصف له 77 مللي ثانية، بالإضافة إلى نظير النيون ^{-28 (28Ne} ) ، في نموذج التفاعلات في قشرة النجوم النيوترونية. ^{[ 4 ]} إن أكثر أنماط الاضمحلال شيوعًا للنظائر الأخف من النظائر المستقرة هو اضمحلال بيتا الموجب (β ⁺⁾ إلى النيتروجين ، والنمط الأكثر شيوعًا بعد ذلك هو اضمحلال بيتا السالب (β- ⁾ إلى الفلور .

الأكسجين-14 (نصف العمر 70.62 ثانية) هو ثاني أكثر النظائر المشعة استقرارًا للأكسجين، ويتحلل عن طريق انبعاث البوزيترون إلى النيتروجين-14 .

تُعد حزم أيونات الأكسجين-14 ذات أهمية للباحثين في النوى الغنية بالبروتونات؛ على سبيل المثال، أنتجت إحدى التجارب المبكرة في مرفق حزم النظائر النادرة في إيست لانسينغ، ميشيغان ، حزمة ¹⁴ O عن طريق قصف البروتونات لـ ¹⁴ N، ^{[ 12 ] [ 13 ]} باستخدامها لتحديد القوة المطلقة لانتقال التقاط الإلكترون.

الأكسجين-15 (نصف العمر 122.27 ثانية) هو النظير المشع الأكثر استقرارًا للأكسجين، ويتحلل عن طريق انبعاث البوزيترون إلى النيتروجين-15 .

لذا، فهو نظير الأكسجين المستخدم في التصوير المقطعي بالإصدار البوزيتروني (PET). ويمكن استخدامه، من بين أمور أخرى، في الماء لتصوير التروية القلبية بتقنية PET وتصوير الدماغ . ^{[ 14 ] [ 15 ]} ويتم إنتاجه لهذا التطبيق عن طريق قذف النيتروجين-14 بالديوترون باستخدام السيكلوترون . ^{[ 16 ]}

¹⁴ن + ²H → ¹⁵O + n

يتم إنتاج الأكسجين-15 والنيتروجين-13 في الهواء عندما تقوم أشعة جاما (على سبيل المثال من البرق ) بإخراج النيوترونات ^{[ 17 ]} من ¹⁶ O و ¹⁴ N: ^{[ 18 ]}

¹⁶O + γ → ¹⁵O + n

¹⁴N + γ → ¹³N + n

¹⁵يتحلل الأكسجين إلى ¹⁵ينبعث من ذرة النيتروجين -13 بوزيترون . يتفاعل البوزيترون بسرعة مع إلكترون، مُنتجًا شعاعين من أشعة غاما بطاقة تقارب 511  كيلو إلكترون فولت. بعد حدوث صاعقة، يتلاشى إشعاع غاما هذا بنصف عمر يبلغ  دقيقتين، لكن هذه الأشعة منخفضة الطاقة لا تقطع في المتوسط ​​سوى 90 مترًا تقريبًا في الهواء. وبالاقتران مع الأشعة الناتجة عن البوزيترونات من النيتروجين-13، قد لا يُرصد هذا الإشعاع إلا لدقيقة أو نحوها على شكل "سحابة" من ^{النيتروجين-15.}O و ¹³يمر حرف N حاملاً إياه الريح. ^{[ 9 ]}

الأكسجين-16 (رمزه: ^16O أو ^168O ) هو نظير مستقر للأكسجين ، يحتوي نواته على 8 نيوترونات و 8 بروتونات ، مما يجعله نظيراً سحرياً مزدوجاً . وهو أكثر نظائر الأكسجين وفرةً، إذ يشكل حوالي 99.76% من إجمالي الأكسجين _.

تتميز وفرة الأكسجين-16 النسبية والمطلقة بارتفاعها نظرًا لكونه ناتجًا رئيسيًا لتطور النجوم . ويمكن أن تُنتجه النجوم التي كانت تتكون في الأصل من الهيدروجين فقط . ^{[ 19 ]} يُصنّع معظم الأكسجين-16 في نهاية عملية اندماج الهيليوم في النجوم. وتُنتج عملية ألفا الثلاثية الكربون-12، الذي يلتقط ذرة هيليوم-4 إضافية لتكوين الأكسجين-16. كما يُنتج أيضًا من خلال عملية احتراق النيون .

قبل تعريف دالتون بناءً على ¹²ج ، عُرّفت وحدة الكتلة الذرية بأنها سدس عشر كتلة ذرة الأكسجين-16. ^{[ 20 ]} منذ أن أشار الفيزيائيون إلى ¹⁶O فقط، بينما كان الكيميائيون يقصدون المزيج الطبيعي من النظائر، أدى هذا إلى مقاييس كتلة مختلفة قليلاً.

الأكسجين-17 ( ^17O ) هو أندر نظائر الأكسجين الثلاثة المستقرة ^، حيث تبلغ وفرته النظيرية حوالي 0.038% = 380 جزءًا في المليون في الماء والهواء الأرضي.يُصنع الأكسجين بشكل أساسي عن طريق حرق الهيدروجين وتحويله إلى هيليوم في دورة CNO ، مما يجعله نظيراً شائعاً في مناطق احتراق الهيدروجين في النجوم. ^{[ 19 ]}

باعتباره النظير المستقر الوحيد للأكسجين الذي يمتلك عزمًا نوويًا مغزليًا ( + 5/2 ) وخاصية استرخاء مستقلة عن المجال في الماء السائل، من خلال تضييق حركي شديد، يُمكّن نظير الأكسجين ^{-17 (17O ) من إجراء} دراسات الرنين المغناطيسي النووي لتتبع مسارات الأيض التأكسدي (أي تحويل غاز الأكسجين ^-17 إلى ماء الهيدروجين-17 الناتج أيضيًا عن طريق _{الفسفرة التأكسدية} في الميتوكوندريا [ 21 ^{] ) عند} مجالات مغناطيسية عالية. يُعد هذا شرطًا ضروريًا للتغلب على انخفاض نسبة الإشارة إلى الضوضاء الناتج عن قلة وفرة النظير، وانخفاض النسبة المغناطيسية الدورانية، وسرعة الاسترخاء العرضي الرباعي الأقطاب، على عكس البروتون/الهيدروجين، وهو النواة الأكثر استخدامًا في الرنين المغناطيسي .

يتعرض الماء المستخدم كمبرد للمفاعلات النووية لتدفق نيوتروني مكثف . يحتوي الماء الطبيعي في البداية على 0.038% من نظير الأكسجين ^-17 ، بينما يحتوي الماء الثقيل في البداية على نسبة إثراء عرضية تصل إلى حوالي 0.055% من هذا النظير. علاوة على ذلك، يحول التدفق النيوتروني ببطء نظير الأكسجين ^-16 في ماء التبريد إلى نظير الأكسجين ^-17 عن طريق امتصاص النيوترونات ، مما يزيد من تركيزه. كما يحول التدفق النيوتروني ببطء نظير الأكسجين ^{-17 (ذي} المقطع العرضي الأكبر بكثير ) في ماء التبريد إلى الكربون-14 ، وهو منتج غير مرغوب فيه قد يتسرب إلى البيئة.

¹⁷ O (n,α) → ¹⁴ C

تحرص بعض محطات إزالة التريتيوم على استبدال أكسجين الماء بالأكسجين الطبيعي (غالباً ^16O ) لتحقيق فائدة إضافية تتمثل في تقليل إنتاج ^14C . ^{[ 22 ] [ 23 ]}

تم افتراض وجود النظير لأول مرة، ثم تم تصويره لاحقًا بواسطة باتريك بلاكيت في مختبر رذرفورد عام 1925: ^{[ 24 ]} وكان ناتجًا عن أول عملية تحويل اصطناعي للنيتروجين ^-14 والهيليوم ^-4 (He2 ⁺⁾ أجراها فريدريك سودي وإرنست رذرفورد في الفترة 1917-1919. ^{[ 25 ]} تم اكتشاف وجوده في الغلاف الجوي للأرض لاحقًا في عام 1929 بواسطة جيوك وجونسون في أطياف الامتصاص، ^{[ 26 ]} مما يدل على وجوده الطبيعي.

الأكسجين-18 ( ¹⁸يُعدّ O (Ω ^{[ 27 ]} ) أحد النظائر المستقرة للأكسجين ، بنسبة وفرة تقارب 0.20%، ويُعتبر أحد النظائر البيئية . معظم ¹⁸يتم إنتاج O عندما ¹⁴يلتقط النيتروجين (الذي ينتج بوفرة من احتراق الكربون والأكسجين) ⁴النواة ، لتصبح ¹⁸و . يتحلل هذا الإشعاع بيتا بسرعة (نصف عمره حوالي 110 دقائق)إلى ^{18[ 19 ]} يلزم ^درجات حرارة تصل إلى ^10⁹ كلفن لدمج الأكسجين ^في الكبريت . [ ²⁸ ] 

يُنتَج الفلور-18 عادةً عن طريق تشعيع الماء المُخصَّب بالأكسجين ^-18 ببروتونات عالية الطاقة (حوالي 18 ميغا إلكترون فولت ) مُحضَّرة في سيكلوترون أو مُسرِّع خطي ، مما يُنتج محلولًا مائيًا يحتوي على الفلور ^-18 على شكل أيون فلوريد. يُستخدم هذا المحلول بعد ذلك في التخليق السريع لجزيء مُوسَم ، غالبًا ما تحل فيه ذرة الفلور محل مجموعة هيدروكسيل . يجب تخليق الجزيئات المُوسَمة أو المستحضرات الصيدلانية الإشعاعية بعد تحضير الفلور المُشع، لأن إشعاع البروتونات عالي الطاقة يُدمِّر الجزيئات. تُستخدم كميات كبيرة من الماء المُخصَّب بالأكسجين-18 في مراكز التصوير المقطعي بالإصدار البوزيتروني ، لإنتاج فلوروديوكسي جلوكوز (FDG) المُوسَم بالفلور ^-18 في الموقع . ^{[ 29 ]}

قياسات نسبة ^18O / ^16O (المعروفة باسم δ ¹⁸⁾تُستخدم نظائر الأكسجين (O ) بكثرة في علم المناخ القديم . جزيئات الماء التي تحتوي على نظير أخف تكون أكثر عرضة للتبخر وأقل عرضة للهطول ، لذا فإن المياه العذبة على الأرض والجليد القطبي تحتوي على كمية أقل قليلاً من الأكسجين (O).0.1981% ) ¹⁸أكثر من الهواء (0.204% ) أو مياه البحر (0.1995% ). ^{[ 30 ]} يسمح هذا التباين بدراسة أنماط درجات الحرارة التاريخية من خلال تحليل عينات الجليد . بافتراض أن دوران الغلاف الجوي والارتفاع لم يتغيرا بشكل ملحوظ فوق القطبين، يمكن حساب درجة حرارة تكوّن الجليد على أنها تجزئة توازن بين أطوار الماء المعروفة لدرجات حرارة مختلفة. تخضع جزيئات الماء أيضًا لتجزئة رايلي مع تحرك الماء الجوي من خط الاستواء باتجاه القطبين، مما يؤدي إلى استنزاف تدريجي بنسبة ^18%.O ، أو أقل δ ¹⁸القيم O. ^{[ 31 ]}

δ ¹⁸يمكن استخدام نسبة الأكسجين في قياس درجات الحرارة القديمة لأنواع معينة من الأحافير . عادةً ما تكون المادة الأحفورية المستخدمة هي الكالسيت أو الأراغونيت ، ولكن تم أيضًا استخدام قياس درجات الحرارة القديمة لنظائر الأكسجين في الأحافير الفوسفاتية باستخدام تقنية SHRIMP . ^{[ 32 ]} ولتحديد درجات حرارة المحيطات على مدى الزمن الجيولوجي، يتم قياس العديد من أحافير النوع نفسه في طبقات جيولوجية مختلفة ، ويشير الفرق بينها إلى التغيرات طويلة المدى. ^{[ 33 ]}

كما تم استخدام نظير الأكسجين ^-18 لتحديد تكوين المحيط ودرجة حرارته التي تأتي منها المأكولات البحرية . ^{[ 34 ]}

في دراسة التنفس الضوئي للنباتات ، يسمح وسم الغلاف الجوي بالأكسجين-18 بقياس امتصاص الأكسجين عبر مسار التنفس الضوئي. الوسم بواسطة ¹⁸يا₂ يعطي التدفق أحادي الاتجاه لـO₂ امتصاص، بينما يوجد صافي عملية التمثيل الضوئي ¹⁶يا_٢- التطور. لقد ثبت أنه في ظل الظروف الجوية ما قبل الصناعية، تعيد معظم النباتات امتصاص نصف الأكسجين الناتج عن عملية التمثيل الضوئي عن طريقالتنفس الضوئي. ثم انخفض مردود عملية التمثيل الضوئي إلى النصف بسبب وجود الأكسجين في الغلاف الجوي. ^{[ ٣٥ ] [ ٣٦ ]}

يبلغ عمر النصف للأكسجين-20 يبلغ زمن اضمحلاله 13.51 ± 0.05 ثانية ، ويتحلل عن طريق اضمحلال بيتا ^السالب إلى ^20F . وهو أحد الجسيمات المنبعثة المعروفة من اضمحلال العناقيد ، حيث ينبعث في اضمحلال ^228Th بنسبة تفرع تبلغ حوالي(1.13 ± 0.22) × 10 ⁻¹³ . ^{[ 37 ]}

• تأثير دول

منتجات ثانوية أخرى غير الأكسجين

• نظائر الفلور
• نظائر النيتروجين
• نظائر الكربون
• نظائر الهيليوم