pienoiskuva|Massiivisen tähden elinajan lopulla 16O keskittyy O-kuoreen, 17O H-kuoreen ja 18O He-kuoreen. 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 nuklidimerkki Z(p) N(n) isotoopin massa (u) puoliintumisaika hajoamistapa(-tavat) tytär-isotooppi(-isotoopit)Stabiilit isotoopit lihavoitu ydin-spin suhteellinenosuus luonnonhapesta(moolin murto-osina) luonnollinenvaihteluväli(moolin murto-osina)12O 8 412,034405(20)580(30)·10-24 s[0,40(25) MeV] 2p (60,0%) 10C0+ p (40,0%) 11N13O 8 513,024812(10)8,58(5) ms ß+ (89,1%) 13N(3/2-) ß+, p (10,9%) 12C 14O 8 6 14,00859625(12) 70,598(18) s ß+ 14N 0+ 15O 8 7 15,0030656(5) 122,24(16) s ß+ 15N 1/2- 16OIsotooppien 16O ja 18O suhdetta käytetään paleoklimatologiassa muinaisten lämpötilojen tutkimiseen 8 8 15,99491461956(16)Vakaa 0+ 0,99757(16) 0,99738–0,99776 17OVoidaan käyttää aineenvaihdunnan NMR-tutkimukseen 8 9 16,99913170(12)Vakaa 5/2+ 3,8(1)·10-4 3,7·10-4–4,0·10-4 18OVoidaan käyttää eräisiin lääketieteellisiin tutkimuksiin 8 10 17,9991610(7)Vakaa 0+ 2,05(14)·10-3 1,88·10-3–2.22·10-3 19O 8 11 19,003580(3) 26,464(9) s ß- 19F 5/2+ 20O 8 12 20,0040767(12) 13,51(5) s ß- 20F 0+ 21O 8 13 21,008656(13) 3,42(10) s ß- 21F (1/2,3/2,5/2)+22O 8 1422,00997(6)2,25(15) s ß- (78,0%) 22F0+ ß-, n (22.0%) 21F23O 8 1523,01569(13)82(37) ms ß-, n (57,99%) 22F1/2+# ß- (42,0%) 23F24O 8 1624,02047(25)65(5) ms ß-, n (57,99%) 23F0+ ß- (42,01%) 24F
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
Luokka:Isotoopit Isotoopit