Изотопы лития

Перейти к навигацииПерейти к поиску

Изото́пы лития — разновидности атомов (и ядер) химического элемента лития, имеющие разное содержание нейтронов в ядре. На данный момент известны 9 изотопов лития и ещё 2 возбуждённых изомерных состояний некоторых его нуклидов, 10m1Li − 10m2Li.

В природе встречаются два стабильных изотопа лития: 6Li (7,5 %) и 7Li (92,5 %).

Наиболее устойчивый искусственный изотоп, 8Li, имеет период полураспада 0,8403 с.

Экзотический изотоп 3Li (трипротон), по-видимому, не существует как связанная система.

Происхождение

7Li является одним из немногих изотопов, возникших при первичном нуклеосинтезе (то есть в период от 1 секунды до 3 минут после Большого Взрыва[1]) в количестве не более 10−9 от всех элементов.[2][3] Некоторое количество изотопа 6Li, как минимум в десять тысяч раз меньшее, чем 7Li, также образовано в первичном нуклеосинтезе[1].

Примерно в десять раз больше 7Li образовались в звёздном нуклеосинтезе. Литий является промежуточным продуктом реакции ppII, но при высоких температурах активно преобразуется в гелий[4][5].

Наблюдаемые соотношения 7Li и 6Li не сходятся с предсказанием стандартной модели первичного нуклеосинтеза (standard BBN). Данное расхождение известно как «primordial lithium problem».[1][6]

Разделение

Литий-6 имеет большее сродство с ртутью, чем литий-7. На этом основан процесс обогащения COLEX[7]. Альтернативный процесс — вакуумная дистилляция, происходящая при температурах около 550 °C.

Обычно разделение изотопов лития требовалось для военных ядерных программ (СССР, США, Китая). В настоящее время функционирующими мощностями по разделению обладают лишь Россия и Китай[7].

Так, в США в 1954 году (по другим данным, в 1955 году) на военном заводе Y-12 был построен цех для разделения изотопов лития. Обогащённый по изотопу 6Li направлялся для производства термоядерного оружия, а обогащённый по 7Li — на нужды гражданской атомной программы США[8].

Применение

Изотопы 6Li и 7Li обладают разными ядерными свойствами (сечение поглощения тепловых нейтронов, продукты реакций) и сфера их применения различна. Гафниат лития входит в состав специальной эмали, предназначенной для захоронения высокоактивных ядерных отходов, содержащих плутоний.

Литий-6

Применяется в термоядерной энергетике.

При облучении нуклида 6Li тепловыми нейтронами получается радиоактивный тритий 3H:

Благодаря этому литий-6 может применяться как замена радиоактивного, нестабильного и неудобного в обращении трития как в военных (термоядерное оружие), так и в мирных (управляемый термоядерный синтез) целях. В термоядерном оружии обычно применяется дейтерид лития-6 6LiD.

Перспективно также использование лития-6 для получения гелия-3 (через тритий) с целью дальнейшего использования в дейтерий-гелиевых термоядерных реакторах.

Литий-7

Применяется в ядерных реакторах[9]. Благодаря очень высокой удельной теплоёмкости и низкому сечению захвата тепловых нейтронов (45 миллибарн[10]) жидкий литий-7 (часто в виде сплава с натрием или цезием) служит эффективным теплоносителем. Фторид лития-7 в сплаве с фторидом бериллия (66 % LiF + 34 % BeF2) носит название «флайб» (FLiBe) и применяется как высокоэффективный теплоноситель и растворитель фторидов урана и тория в высокотемпературных жидкосолевых реакторах, и для производства трития.

Соединения лития, обогащённые по изотопу лития-7, применяются на реакторах PWR для поддержания водно-химического режима, а также в деминерализаторе первого контура. Ежегодная потребность США оценивается в 200—300 кг, производством обладают лишь Россия и Китай[7].

Таблица изотопов лития

Символ
нуклида		Z(p) N(n) Масса изотопа[11]
(а. е. м.) 		Период
полураспада[12]
(T1/2) 		Канал распада Продукт распада Спин и чётность
ядра[12]		Распространённость
изотопа в природе		Диапазон изменения изотопной распространённости в природе
Энергия возбуждения
3Li[n 1]3 0 3,03078(215)# p2He 3/2−#
4Li 3 1 4,02719(23) 9,1(9)⋅10-23 с
[5,06(52) МэВ] 		p 3He2−
5Li 3 2 5,012540(50) 3,7(3)⋅10-22 с
[1,24(10) МэВ] 		p 4He3/2−
6Li 3 3 6,0151228874(15) стабилен1+ [0,019, 0,078][13]
6mLi 3562,88(10) кэВ 5,6(14)⋅10-17 с ИП6Li0+
7Li 3 4 7,016003434(4) стабилен3/2− [0,922, 0,981][13]
8Li 3 5 8,02248624(5) 838,7(3) мс β−8Be[n 2]2+
9Li 3 6 9,02679019(20) 178,2(4) мс β−, n (50,5(1,0)%) 8Be[n 3]3/2−
β− (49,5(1,0)%) 9Be
10Li 3 7 10,035483(14) 2,0(5)⋅10-21 с
[0,2(1,2) МэВ] 		n 9Li (1−, 2−)
10m1Li 200(40) кэВ 3,7(1,5)⋅10-21 с ИП 10Li 1+
10m2Li 480(40) кэВ 1,35⋅10-21 с
[0,350(70) МэВ] 		ИП 10Li 2+
11Li 3 8 11,0437236(7) 8,75(6) мс β−, n (86,3(9)%) 10Be 3/2−
β− (6,0(1,0)%) 11Be
β−, 2n (4,1(4)%) 9Be
β−, 3n (1,9(2)%) 8Be[n 4]
β−, α (1,7(3)%) 7He
β−, деление (0,0130(13)%) 9Li, 2H
β−, деление (0,0093(8)%) 8Li, 3H
12Li 3 9 12,052610(30) n 11Li (1−,2−)
13Li 3 10 13,061170(80) 3,3⋅10-21 с
[0,2(9,2) МэВ] 		2n 11Li 3/2−#
  1. ↑ Открытие этого изотопа не подтверждено
  2. ↑ Немедленно распадается на две α-частицы для реакции 8Li → 24He + e−
  3. ↑ Немедленно распадается на две α-частицы для реакции 9Li → 24He + 1n + e−
  4. ↑ Немедленно распадается на две α-частицы для реакции 11Li → 24He + 31n + e−

Пояснения к таблице

  • Распространённость изотопов приведена для большинства природных образцов. Для других источников значения могут сильно отличаться.
  • Индексами 'm', 'n', 'p' (рядом с символом) обозначены возбужденные изомерные состояния нуклида.
  • Символами, выделенными жирным шрифтом, обозначены стабильные продукты распада. Символами, выделенными жирным курсивом, обозначены радиоактивные продукты распада, имеющие периоды полураспада, сравнимые с возрастом Земли или превосходящие его и вследствие этого присутствующие в природной смеси.
  • Значения, помеченные решёткой (#), получены не из одних лишь экспериментальных данных, а (хотя бы частично) оценены из систематических трендов у соседних нуклидов (с такими же соотношениями Z и N). Неуверенно определённые значения спина и/или чётности заключены в скобки.
  • Погрешность приводится в виде числа в скобках, выраженного в единицах последней значащей цифры, означает одно стандартное отклонение (за исключением распространённости и стандартной атомной массы изотопа по данным ИЮПАК, для которых используется более сложное определение погрешности). Примеры: 29770,6(5) означает 29770,6 ± 0,5; 21,48(15) означает 21,48 ± 0,15; −2200,2(18) означает −2200,2 ± 1,8.

Примечания

  1. ↑ 1 2 3 BD Fields, The Primordial Lithium Problem Архивная копия от 19 октября 2016 на Wayback Machine, Annual Reviews of Nuclear and Particle Science 2011
  2. ↑ Постнов К.А. Лекции по общей астрофизике для физиков. Дата обращения: 30 ноября 2013. Архивировано 3 февраля 2013 года.; см Рис. 11.1
  3. ↑ Источник. Дата обращения: 30 ноября 2013. Архивировано из оригинала 13 ноября 2013 года.
  4. ↑ Lecture 27: Stellar Nucleosynthesis Архивная копия от 28 мая 2015 на Wayback Machine // Университет Toledo — «The Destruction of Lithium in Young Convective Stars» slide 28
  5. ↑ Greg Ruchti, Lithium in the Cosmos Архивная копия от 4 марта 2016 на Wayback Machine — «Lithium is Fragile» slide 10
  6. ↑ Karsten JEDAMZIK, Big Bang Nucleosynthesis and the Cosmic Lithium Problem Архивная копия от 3 декабря 2013 на Wayback Machine
  7. ↑ 1 2 3 "PWR - литиевая угроза". ATOMINFO.RU. 2013-10-23. Архивировано 20 июля 2015. Дата обращения: 29 декабря 2013.
  8. ↑ Военный литий США. Дата обращения: 1 ноября 2022. Архивировано 1 ноября 2022 года.
  9. ↑ Managing Critical Isotopes: Stewardship of Lithium-7 Is Needed to Ensure a Stable Supply, GAO-13-716 Архивная копия от 20 января 2017 на Wayback Machine // U.S. Government Accountability Office, 19 September 2013; pdf Архивная копия от 14 октября 2017 на Wayback Machine
  10. ↑ Atlas of Neutron Resonances. Дата обращения: 14 января 2024. Архивировано 7 мая 2021 года.
  11. ↑ Данные приведены по Huang W. J., Meng Wang, Kondev F. G., Audi G., Naimi S. The Ame2020 atomic mass evaluation (I). Evaluation of input data, and adjustment procedures (англ.) // Chinese Physics C. — 2021. — Vol. 43, iss. 3. — P. 030002-1—030002-342. — doi:10.1088/1674-1137/abddb0.
  12. ↑ 1 2 Данные приведены по Kondev F. G., Wang M., Huang W. J., Naimi S., Audi G. The Nubase2020 evaluation of nuclear properties (англ.) // Chinese Physics C. — 2021. — Vol. 45, iss. 3. — P. 030001-1—030001-180. — doi:10.1088/1674-1137/abddae.Открытый доступ
  13. ↑ 1 2 Atomic Weight of Lithium | Commission on Isotopic Abundances and Atomic Weights. ciaaw.org. Дата обращения: 21 октября 2021. Архивировано 19 сентября 2021 года.