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1929年W.F.吉奥克和H.L.约翰斯顿用分子光谱法发现天然氧是由氧16、氧17、氧18三种同位素所组成。现代测定，空气中氧的同位素准确组成为氧16：氧17：氧18=2667：1：5.5。1937年H.C.尤里和J.R.霍夫曼用水精馏法首先得到了富集了氧18的水（重氧水）。现代分离氧18的主要方法仍是水精馏法，用该法已得到99.8％的H218O。低温精馏一氧化碳或一氧化氮也可分离氧18。由于氧的重同位素的发现，引起了原子量的化学标度(O＝16.00000)和物理标度(16O＝16.00000)的不一致。这是由于化学标度所采用的氧是天然氧，而氧17和氧18的存在使得化学标度比物理标度大，化学标度是物理标度的1.000275倍。化学和物理学是互相联系的，标度不同必然引起混乱，在两种标度并用了一段时间后，便越来越感到统一标度的必要。直到1961年，化学和物理学共同采用12C＝12为原子量基准，两种标度才得到统一。由于氧没有长寿命的放射性同位素(见放射性)，所以氧18是重要的示踪原子，并已广泛用于化学反应机理、催化作用机理以及与生命活动有关的反应过程的研究中。