Kväveisotoper

Kväveisotoper är isotoper av grundämnet kväve (N), det vill säga atomer och kärnor med 7 protoner och olika antal neutroner.

Isotoper

Kväve har 16 kända isotoper, varav 2 är stabila (¹⁴N och ¹⁵N).

Det finns även en kärnisomer, ^11mN. Alla radioisotoper är kortlivade, den mest långlivade är ¹³N med en halveringstid på 9,965 minuter. Alla andra har halveringstider under 7,15 sekunder, de flesta under fem åttondelssekunder.

De flesta isotoper med masstal under 14 sönderfaller till kolisotoper, medan de flesta isotoper med masstal över 15 sönderfaller till syreisotoper. Den mest kortlivade kända isotopen är ¹⁰N.

Kväve-13

¹³N är en kväveisotop vars kärna består av 7 protoner och 6 neutroner. Det är en radioisotop, i synnerhet till följd av sönderfall av ¹³O, som sönderfaller till ¹³C genom positronemission, och av detta skäl använd i positronemissionstomografi.

Kväve-14

¹⁴N är en kväveisotop vars kärna består av 7 protoner och 7 neutroner. Det är ett av de två stabila kväveisotoperna, och motsvarar 99,634 % av kvävet på jorden.

¹⁴N är en av de få stabila isotoperna med både ett udda antal protoner och neutroner. Var och en av dessa resulterar i ett kärnspinn på ungefär ¹⁄₂, vilket resulterar i en totalt magnetiskt spinn på 1.

Liksom alla grundämnen tyngre än litium, antas den ursprungliga källan till ¹⁴N och ¹⁵N i universum vara stellär nukleosyntes, där det produceras som en del av kol–kväve–syrecykeln.

¹⁴N är källan till naturligt förekommande ¹⁴C. Vissa typer av kosmisk strålning orsakar en kärnreaktion med ¹⁴N i den övre atmosfären på jorden, vilket resulterar i ¹⁴C, som sönderfaller tillbaka till ¹⁴N med en halveringstid på 5730 ± 40 år.^[1]

Kväve-15

¹⁵N är en kväveisotop vars kärna består av 7 protoner och 8 neutroner. Det är ett av de två stabila kväveisotoperna, och motsvarar 0,366 % av kvävet på jorden.

¹⁵N används ofta inom jordbruks- och medicinsk forskning, exempelvis i Meselson–Stahl-experimentet för att fastställa naturen av DNA-replikation.^[2] En förlängning av denna forskning resulterade i utvecklingen av DNA-baserad stabilisotopsondering, vilket möjliggör undersökning av länkar mellan metabolisk funktion och taxonomisk identitet av mikroorganismer i miljön, utan att det behövs kulturell isolering.^{[3][4] 15}N används i stor utsträckning för att spåra mineralkväveföreningar (särskilt gödningsmedel) i miljön och i kombination med användning av andra isotopmarkörer, är det också ett mycket viktigt spårämne för att beskriva vad som händer med kvävehaltiga organiska föroreningar.^[5][6]

¹⁵N används ofta i NMR (kväve-15-NMR-spektroskopi) eftersom till skillnad från det mer rikligt förekommande ¹⁴N, som har ett heltaligt kärnspinn och därmed ett kvadrupolt moment, har ¹⁵N ett fraktionerat kärnspinn av en halv, vilket innebär fördelar i NMR såsom smalare linjebredd. Proteiner kan isotopiskt märkas genom att kultivera dem i ett medium innehållande ¹⁵N som den enda kvävekällan. Dessutom används ¹⁵N för att märka proteiner i kvantitativ proteomik (exempelvis SILAC).

Förhållandet ¹⁵N/¹⁴N i en organism kan ge information om dess kost, eftersom ¹⁵N tenderar att vara koncentrerat högre upp i näringskedjan, med en ökning på 3–4 ‰ för varje steg (se visare Isotopsignatur § Kväveisotoper).^{[7] 15}N har ett av de lägsta termiska neutroninfångningstvärsnitten av alla isotoper.^[8]

Två källor till ¹⁵N är positronemission av ¹⁵O^[9] och betasönderfall av ¹⁵C.

Kväve-16

¹⁶N är en kväveisotop vars kärna består av 7 protoner och 9 neutroner. Det är en radioisotop med en halveringstid på 7,13 sekunder. Den sönderfaller till ¹⁶O genom att emittera en elektron samt gammastrålning (10,419 MeV). Det bildas i synnerhet i vattenreaktorer genom snabb aktivering av syre från vattnet med neutronflödet. Gammastrålningen är i anslutning till huvudstrålningskällan i det primära systemet för vattenreaktorn. På grund av den korta emissionstiden, försvinner denna strålning i de allra första ögonblicken efter avstängning.

Tabell

Nuklid	Z	N	Massa (u)	Halveringstid	ST (%)	SE (MeV)	SP	Spinn	Förekomst (%)
	Excitationsenergi (keV)
^10N	7	3	10,04165(43)	200 × 10^−24 s	p	2,3(16)	^9C	(2^−)
^11N	7	4	11,02609(5)	590 × 10^−24 s	p	2,29	^10C	½^+
^11mN	740(60)			590 × 10^−24 s				½^−
^12N	7	5	12,0186132(11)	11 ms	β^+ (96,5 %)	17,338	^12C	1^+
					β^+ + α (3,5 %)		^8Be
^13N	7	6	13,00573861(29)	9,965 min	β^+	2,22	^13C	½^−
^14N	7	7	14,0030740048(6)	Stabil				1^+	99,634
^15N	7	8	15,0001088982(7)	Stabil				½^−	0,366
^16N	7	9	16,0061017(28)	7,13 s	β^− (99,99 %)	10,419	^16O	2^−
					β^− + α (0,001 %)		^17O
^16m1N	7	9		7,13 s	IT	0,120		0
					β^−	10,539
^17N	7	10	17,008450(16)	4,173 s	β^− + n (95 %)	4,536	^16O	½^−
					β^− (4,99 %)	8,68	^17O
					β^− + α (0,0025 %)		^13C
^18N	7	11	18,014079(20)	622 ms	β^− (76,9 %)	13,899	^18O	1^−
					β^− + α (12,2 %)	7,627	^14C
					β^− + n (10,9 %)		^17O
^19N	7	12	19,017029(18)	271 ms	β^− + n (54,6 %)	8,571	^18O	(½^−)
					β^− (45,4 %)	12,527	^19O
^20N	7	13	20,02337(6)	130 ms	β^− + n (56,99 %)	10,36	^19O
					β^− (43 %)	17,97	^20O
^21N	7	14	21,02711(10)	87 ms	β^− + n (80 %)	13,36	^20O	½^−#
					β^− (20 %)	17,17	^21O
^22N	7	15	22,03439(21)	13,9 ms	β^− (65 %)	22,8	^22O
					β^− + n (35 %)	15,95	^21O
^23N	7	16	23,04122(32)#	14,5 ms	β^−		^23O	½^−#
^24N	7	17	24,05104(43)#	52 ns	n		^23N
^25N	7	18	25,06066(54)#	260 ns				½^−#

Anmärkningar

• Stabila isotoper anges i fetstil.
• Värden markerade med # härrör inte enbart från experimentella data, men åtminstone delvis från systematiska trender.
• Osäkerheter anges i kort form i parentes efter värdet. Osäkerhetsvärden anger en standardavvikelse, utom isotopsammansättningen och standardatommassa från IUPAC, som använder expanderade osäkerhet.
• Nuklidmassor är givna av IUPAP Commission on Symbols, Units, Nomenclature, Atomic Masses and Fundamental Constants (SUNAMCO).
• Isotopförekomster är givna av IUPAC Commission on Isotopic Abundances and Atomic Weights.

Källor

1. Godwin, H (1962). ”Half-life of radiocarbon”. Nature 195 (4845): sid. 984. doi:10.1038/195984a0. 
2. Meselson, M.; Stahl, F. W. (1958). ”The replication of DNA in E. coli”. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America 44: sid. 671–682. doi:10.1073/pnas.44.7.671. PMID 16590258. 
3. Radajewski, S.; McDonald, I. R.; Murrell, J. C. (2003). ”Stable-isotope probing of nucleic acids: a window to the function of uncultured microorganisms”. Current Opinion in Biotechnology 14: sid. 296–302. doi:10.1016/s0958-1669(03)00064-8. 
4. Cupples, A. M.; E. A. Shaffer; J. C. Chee-Sanford, and G. K. Sims. 2007. "DNA buoyant density shifts during ¹⁵N DNA stable isotope probing". Microbiological Research 162:328–334.
5. Marsh, K. L., G. K. Sims, and R. L. Mulvaney. 2005. "Availability of urea to autotrophic ammonia-oxidizing bacteria as related to the fate of ¹⁴C- and ¹⁵N-labeled urea added to soil". Biology and Fertility of Soils 42:137–145.
6. Bichat, F., G. K. Sims, and R. L. Mulvaney. 1999. "Microbial utilization of heterocyclic nitrogen from atrazine". Soil Science Society of America Journal 63:100–110.
7. Adams, Thomas S.; Sterner, Robert W. (2000). ”The effect of dietary nitrogen content on trophic level ¹⁵N enrichment”. Limnology and Oceanography (American Society of Limnology and Oceanography) 45 (3): sid. 601–607. Arkiverad från originalet den 22 december 2015. https://web.archive.org/web/20151222080221/http://aslo.net/lo/toc/vol_45/issue_3/0601.pdf. Läst 13 december 2015. 
8. ”Evaluated Nuclear Data File (ENDF) Retrieval & Plotting”. National Nuclear Data Center. http://www.nndc.bnl.gov/sigma/index.jsp?as=15&lib=endfb7.1&nsub=10. 
9. CRC Handbook of Chemistry and Physics (64th). 1983–1984. sid. B-234 

---

• Isotopmassor:
  • G. Audi, A. H. Wapstra, C. Thibault, J. Blachot and O. Bersillon (2003). ”The NUBASE evaluation of nuclear and decay properties”. Nuclear Physics 729: sid. 3–128. doi:10.1016/j.nuclphysa.2003.11.001. http://www.nndc.bnl.gov/amdc/nubase/Nubase2003.pdf. 
• Isotopsammansättning och standardatommassa:
  • J. R. de Laeter, J. K. Böhlke, P. De Bièvre, H. Hidaka, H. S. Peiser, K. J. R. Rosman and P. D. P. Taylor (2003). ”Atomic weights of the elements. Review 2000 (IUPAC Technical Report)”. Pure and Applied Chemistry 75 (6): sid. 683–800. doi:10.1351/pac200375060683. http://www.iupac.org/publications/pac/75/6/0683/pdf/. 
  • M. E. Wieser (2006). ”Atomic weights of the elements 2005 (IUPAC Technical Report)”. Pure and Applied Chemistry 78 (11): sid. 2051–2066. doi:10.1351/pac200678112051. http://iupac.org/publications/pac/78/11/2051/pdf/. 
• Spinn och isomerdata:
  • G. Audi, A. H. Wapstra, C. Thibault, J. Blachot and O. Bersillon (2003). ”The NUBASE evaluation of nuclear and decay properties”. Nuclear Physics A 729: sid. 3–128. doi:10.1016/j.nuclphysa.2003.11.001. http://www.nndc.bnl.gov/amdc/nubase/Nubase2003.pdf. 
  • National Nuclear Data Center. ”NuDat 2.1 database”. Brookhaven National Laboratory. http://www.nndc.bnl.gov/nudat2/. Läst 1 september 2005. 
  • N. E. Holden (2004). ”Table of the Isotopes, Section 11”. i D. R. Lide. CRC Handbook of Chemistry and Physics (85th). CRC Press. ISBN 978-0-8493-0485-9