Изотопы лития
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)# | p | 2He | 3/2−# | |||
| 4Li | 3 | 1 | 4,02719(23) | 9,1(9)⋅10-23 с [5,06(52) МэВ] | p | 3He | 2− | ||
| 5Li | 3 | 2 | 5,012540(50) | 3,7(3)⋅10-22 с [1,24(10) МэВ] | p | 4He | 3/2− | ||
| 6Li | 3 | 3 | 6,0151228874(15) | стабилен | 1+ | [0,019, 0,078][13] | |||
| 6mLi | 3562,88(10) кэВ | 5,6(14)⋅10-17 с | ИП | 6Li | 0+ | ||||
| 7Li | 3 | 4 | 7,016003434(4) | стабилен | 3/2− | [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−# | ||
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.