stringtranslate.com

Изотопы лития

Природный литий ( 3 Li) состоит из двух стабильных изотопов , лития-6 ( 6 Li) и лития-7 ( 7 Li), причем последний гораздо более распространен на Земле. Оба природных изотопа имеют неожиданно низкую энергию ядерной связи на нуклон (5 332 .3312(3) кэВ для 6 Li и5 606 .4401(6) кэВ для 7 Li) по сравнению с соседними более легкими и тяжелыми элементами, гелием (7 073 .9156(4) кэВ для гелия-4) и бериллия (6 462 .6693(85) кэВ для бериллия-9). Самый долгоживущий радиоизотоп лития - 8 Li, период полураспада которого всего838,7(3)  миллисекунд . 9 Li имеет период полураспада178,2(4) мс , а 11 Li имеет период полураспада8,75(6) мс . Все остальные изотопы лития имеют период полураспада менее 10 наносекунд . Самый короткоживущий известный изотоп лития — 4 Li, который распадается путем испускания протонов с периодом полураспада около91(9) йоктосекунд (9,1(9) × 10−23 с  ) , хотя период полураспада 3 Li еще не определен и, вероятно, он намного короче, как и у 2 He (гелий-2, дипротон), который подвергается испусканию протонов в течение10 −9 с.

Оба, 7 Li и 6 Li, являются двумя первичными нуклидами , которые были образованы в Большом взрыве , причем 7 Li составляет 10−9 всех первичных нуклидов, а 6 Li около 10−13 . [ 4] Также известно, что небольшой процент 6 Li образуется в результате ядерных реакций в некоторых звездах. Изотопы лития несколько разделяются во время различных геологических процессов, включая образование минералов (химическое осаждение и ионный обмен ). Ионы лития замещают магний или железо в определенных октаэдрических положениях в глинах , и литий-6 иногда предпочтительнее 7 Li. Это приводит к некоторому обогащению 6 Li в геологических процессах.

В ядерной физике 6 Li является важным изотопом, поскольку при его бомбардировке нейтронами образуется тритий .

Оба изотопы 6 Li и 7 Li демонстрируют эффект ядерного магнитного резонанса , несмотря на то, что они квадрупольные (с ядерными спинами 1+ и 3/2−). 6 Li имеет более резкие линии, но из-за его меньшей распространенности требует более чувствительного ЯМР-спектрометра. 7 Li более распространен, но имеет более широкие линии из-за его большего ядерного спина. Диапазон химических сдвигов одинаков для обоих ядер и лежит в пределах +10 (для LiNH 2 в жидком NH 3 ) и −12 (для Li+ в фуллериде ). [5]

Список изотопов

  1. ^ m Li – Возбужденный ядерный изомер .
  2. ^ ( ) – Неопределенность (1 σ ) приводится в краткой форме в скобках после соответствующих последних цифр.
  3. ^ # – Атомная масса, отмеченная #: значение и неопределенность получены не из чисто экспериментальных данных, а, по крайней мере, частично из тенденций от поверхности массы (TMS).
  4. ^ Способы распада:
  5. ^ Жирный символ как дочерний – Дочерний продукт стабилен.
  6. ^ ( ) значение спина – указывает спин со слабыми аргументами присваивания.
  7. ^ # – Значения, отмеченные #, получены не только из экспериментальных данных, но, по крайней мере, частично из тенденций соседних нуклидов (TNN).
  8. ^ Открытие этого изотопа не подтверждено.
  9. ^ ab Показанный режим распада энергетически разрешен, но его возникновение в этом нуклиде экспериментально не наблюдалось.
  10. ^ Одно из немногих стабильных нечетно-нечетных ядер
  11. ^ Произведено в результате нуклеосинтеза Большого взрыва и расщепления космическими лучами.
  12. ^ Немедленно распадается на две α-частицы для чистой реакции 8 Li → 2 4 He + e −
  13. ^ Немедленно распадается на две α-частицы для чистой реакции 9 Li → 2 4 He + 1 n + e −
  14. ^ Имеет 2 гало нейтронов
  15. ^ Немедленно распадается на два атома 4 He для чистой реакции 11 Li → 2 4 He + 3 1 n + e −

Разделение изотопов

Разделение колекса

Литий-6 имеет большее сродство к элементу ртуть, чем литий-7 . Когда амальгаму лития и ртути добавляют к растворам, содержащим гидроксид лития , литий-6 становится более концентрированным в амальгаме, а литий-7 — в растворе гидроксида.

Метод разделения colex ( колоночный обмен ) использует это путем пропускания противотока амальгамы и гидроксида через каскад стадий. Фракция лития -6 преимущественно дренируется ртутью, но литий-7 течет в основном с гидроксидом. В нижней части колонны литий (обогащенный литием-6) отделяется от амальгамы, а ртуть извлекается для повторного использования со свежим сырьем . В верхней части раствор гидроксида лития подвергается электролизу для высвобождения фракции лития-7. Обогащение, полученное с помощью этого метода, зависит от длины колонны и скорости потока.

Другие методы

В методе вакуумной дистилляции литий нагревается до температуры около550  °C в вакууме . Атомы лития испаряются с поверхности жидкости и собираются на холодной поверхности, расположенной на несколько сантиметров выше поверхности жидкости. [8] Поскольку атомы лития-6 имеют большую длину свободного пробега , они собираются предпочтительно. Теоретическая эффективность разделения этого метода составляет около 8,0 процентов. Для получения более высоких степеней разделения может использоваться многоступенчатый процесс.

Изотопы лития, в принципе, также могут быть разделены электрохимическим методом и дистилляционной хроматографией, которые в настоящее время находятся в стадии разработки. [9]

Литий-3

Литий-3 , также известный как трипротон , будет состоять из трех протонов и нуля нейтронов . Он был зарегистрирован как несвязанный протон в 1969 году, но этот результат не был принят, и его существование, таким образом, недоказано. [10] Никаких других резонансов, приписываемых3
Ли
были зарегистрированы, и ожидается, что он распадется путем мгновенного испускания протонов (подобно дипротону ,2
Он
). [11]

Литий-4

Литий-4 содержит три протона и один нейтрон. Это самый короткоживущий известный изотоп лития с периодом полураспада91(9) йоктосекунд (9,1(9) × 10−23  с ) и распадается путем испускания протонов до гелия-3 . [12] Литий -4 может образовываться как промежуточное вещество в некоторых реакциях ядерного синтеза .

Литий-6

Литий-6 ценен как исходный материал для производства трития (водорода-3) и как поглотитель нейтронов в реакциях ядерного синтеза. От 1,9% до 7,8% земного лития в обычных материалах состоит из лития-6, а остальное — из лития-7. Большие количества лития-6 были выделены для использования в термоядерном оружии . Выделение лития-6 к настоящему времени прекращено в крупных термоядерных державах [ требуется ссылка ] , но его запасы остаются в этих странах.

Реакция синтеза дейтерия и трития была исследована как возможный источник энергии, поскольку в настоящее время это единственная реакция синтеза с достаточным выходом энергии для осуществимой реализации. В этом сценарии для получения необходимого количества трития потребуется литий, обогащенный литием-6. Минеральные и рассоляные литиевые ресурсы являются потенциальным ограничивающим фактором в этом сценарии, но в конечном итоге может также использоваться морская вода. [13] Тяжеловодные реакторы под давлением, такие как CANDU, производят небольшие количества трития в своем теплоносителе/замедлителе из-за поглощения нейтронов, и иногда его извлекают в качестве альтернативы использованию лития-6.

Литий-6 является одним из четырех стабильных изотопов со спином 1 (остальные — дейтерий , бор-10 и азот-14 ) [14] и имеет наименьший ненулевой ядерный электрический квадрупольный момент среди всех стабильных ядер.

Литий-7

Литий-7 является самым распространенным изотопом лития, составляя от 92,2% до 98,1% всего земного лития. Атом лития-7 содержит три протона, четыре нейтрона и три электрона. Из-за своих ядерных свойств литий-7 встречается во Вселенной реже, чем гелий , углерод , азот или кислород , хотя последние три имеют более тяжелые ядра . Термоядерный тест Castle Bravo значительно превысил ожидаемый выход из-за неверных предположений о ядерных свойствах лития-7.

Промышленное производство лития-6 приводит к отходам, которые обогащены литием-7 и обеднены литием-6. Этот материал продавался на коммерческой основе, и часть его была выброшена в окружающую среду. Относительное содержание лития-7, на 35 процентов превышающее естественное значение, было измерено в грунтовых водах в карбонатном водоносном горизонте под ручьем Уэст-Вэлли в Пенсильвании , который находится ниже по течению от завода по переработке лития. Изотопный состав лития в обычных материалах может несколько различаться в зависимости от его происхождения, что определяет его относительную атомную массу в исходном материале. Точная относительная атомная масса для образцов лития не может быть измерена для всех источников лития. [15]

Литий-7 используется как часть расплавленного фторида лития в реакторах на расплавленных солях : жидкофторидных ядерных реакторах . Большое сечение поглощения нейтронов литием-6 (около 940 барн [16] ) по сравнению с очень малым сечением нейтронов лития-7 (около 45 миллибарн ) делает высокое отделение лития-7 от природного лития строгим требованием для возможного использования в реакторах на фториде лития.

Гидроксид лития-7 используется для подщелачивания теплоносителя в реакторах с водой под давлением . [17]

В течение нескольких пикосекунд было получено некоторое количество лития-7, содержащего в своем ядре лямбда-частицу , тогда как обычно считается, что атомное ядро ​​содержит только нейтроны и протоны. [18] [19]

Литий-8

Литий-8 был предложен в качестве источника 6,4 МэВ электронных антинейтрино, генерируемых обратным бета-распадом бериллия-8. Сотрудничество физиков частиц ISODAR описывает схему генерации лития-8 для немедленного распада путем бомбардировки стабильного лития-7 60 МэВ протонами, созданными циклотронным ускорителем частиц . [20]

Литий-11

Литий-11 представляет собой гало-ядро , состоящее из ядра лития-9, окруженного двумя слабосвязанными нейтронами; для того, чтобы эта система была связана, должны присутствовать оба нейтрона, что привело к описанию как « ядра Борромео ». [21] В то время как среднеквадратичный радиус протона 11 Li равен2.18+0,16
−0,21 фм , его нейтронный радиус намного больше3.34+0,02
−0,08 фм ; для сравнения, соответствующие цифры для 9 Li составляют2,076 ± 0,037 фм для протонов и2,4 ± 0,03 фм для нейтронов. [22] Он распадается путем бета-излучения и нейтронного излучения на10
Быть
,11
Быть
, или9
Быть
(см. таблицы выше и ниже). Имея магическое число нейтронов 8, литий-11 находится на первом из пяти известных островов инверсии , что объясняет его более длительный период полураспада по сравнению с соседними ядрами. [23]

Литий-12

Литий-12 имеет значительно более короткий период полураспада. Он распадается путем испускания нейтронов на11
Ли
, который распадается, как указано выше.

Цепи распада

В то время как β - распад на изотопы бериллия (часто в сочетании с одно- или многонейтронным испусканием) преобладает в более тяжелых изотопах лития,10
Ли
и12
Ли
распада через испускание нейтронов в9
Ли
и11
Ли
соответственно из-за их положения за пределами нейтронной границы . Литий-11 также распадется через множественные формы деления. Изотопы легче, чем6
Ли
распадаются исключительно путем испускания протонов, поскольку они находятся за пределами протонной границы. Режимы распада двух изомеров10
Ли
неизвестны.

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ abcde Kondev, FG; Wang, M.; Huang, WJ; Naimi, S.; Audi, G. (2021). "Оценка ядерных свойств NUBASE2020" (PDF) . Chinese Physics C. 45 ( 3): 030001. doi :10.1088/1674-1137/abddae.
  2. ^ "Стандартные атомные веса: литий". CIAAW . 2009.
  3. ^ Prohaska, Thomas; Irrgeher, Johanna; Benefield, Jacqueline; Böhlke, John K.; Chesson, Lesley A.; Coplen, Tyler B.; Ding, Tiping; Dunn, Philip JH; Gröning, Manfred; Holden, Norman E.; Meijer, Harro AJ (4 мая 2022 г.). "Стандартные атомные веса элементов 2021 г. (Технический отчет ИЮПАК)". Чистая и прикладная химия . doi :10.1515/pac-2019-0603. ISSN  1365-3075.
  4. ^ Филдс, Брайан Д. (2011). «Первоначальная проблема лития». Annual Review of Nuclear and Particle Science . 61 (1): 47–68. arXiv : 1203.3551 . Bibcode :2011ARNPS..61...47F. doi : 10.1146/annurev-nucl-102010-130445 . S2CID  119265528.
  5. ^ "(Li) Литиевый ЯМР".
  6. ^ Ван, Мэн; Хуан, ВДж; Кондев, ФГ; Ауди, Г.; Наими, С. (2021). «Оценка атомной массы AME 2020 (II). Таблицы, графики и ссылки*». Chinese Physics C. 45 ( 3): 030003. doi :10.1088/1674-1137/abddaf.
  7. ^ ab "Атомный вес лития". ciaaw.org . Получено 21 октября 2021 г. .
  8. ↑ Катальников, С.Г.; Андреев, Б.М. (1 марта 1962 г.). «Коэффициент разделения изотопов лития при вакуумной перегонке». Советский журнал атомной энергии . 11 (3): 889–893. doi :10.1007/BF01491187. ISSN  1573-8205. S2CID  96799991.
  9. ^ Badea, Silviu-Laurentiu; Niculescu, Violeta-Carolina; Iordache, Andreea-Maria (апрель 2023 г.). "Новые тенденции в методах разделения изотопов лития: обзор методов химического разделения". Материалы . 16 (10): 3817. Bibcode : 2023Mate...16.3817B. doi : 10.3390/ma16103817 . ISSN  1996-1944. PMC 10222844. PMID 37241444  . 
  10. ^ Audi, G.; Kondev, FG; Wang, M.; Huang, WJ; Naimi, S. (2017). «Оценка ядерных свойств с помощью NUBASE2016» (PDF) . Chinese Physics C. 41 ( 3): 030001–21. Bibcode : 2017ChPhC..41c0001A. doi : 10.1088/1674-1137/41/3/030001.
  11. ^ Purcell, JE; Kelley, JH; Kwan, E.; Sheu, CG; Weller, HR (2010). "Energy Levels of Light Nuclei (A = 3)" (PDF) . Nuclear Physics A . 848 (1): 1. Bibcode :2010NuPhA.848....1P. doi :10.1016/j.nuclphysa.2010.08.012. Архивировано из оригинала (PDF) 1 февраля 2018 года . Получено 3 января 2020 года .
  12. ^ "Изотопы лития" . Получено 20 октября 2013 г.
  13. ^ Брэдшоу, AM; Хамахер, T.; Фишер, U. (2010). «Является ли ядерный синтез устойчивой формой энергии?» (PDF) . Fusion Engineering and Design . 86 (9): 2770–2773. doi :10.1016/j.fusengdes.2010.11.040. hdl : 11858/00-001M-0000-0026-E9D2-6 . S2CID  54674085.
  14. ^ Чандракумар, Н. (2012). Spin-1 NMR. Springer Science & Business Media. стр. 5. ISBN 9783642610899.
  15. ^ Коплен, Тайлер Б.; Хоппл, JA; Бёльке, Джон Карл; Пейзер, Х. Штеффен; Ридер, SE; Кроуз, HR; Росман, Кевин Дж. Р.; Динг, Т.; Фоке, РД, младший; Ревес, К. М.; Ламберти, А.; Тейлор, Филип Д. П.; Де Бьевр, Пол; «Сборник минимальных и максимальных изотопных соотношений выбранных элементов в природных наземных материалах и реагентах», Отчет Геологической службы США по исследованию водных ресурсов 01-4222 (2002). Цитируется в TB Coplen; et al. (2002). «Изменения изотопного содержания выбранных элементов (технический отчет ИЮПАК)» (PDF) . Чистая и прикладная химия . 74 (10): 1987–2017. doi :10.1351/pac200274101987. S2CID  97223816. Архивировано из оригинала (PDF) 3 марта 2016 г. Получено 29 октября 2012 г.
  16. ^ Холден, Норман Э. (январь–февраль 2010 г.). «Влияние обедненного 6Li на стандартный атомный вес лития». Chemistry International . Международный союз теоретической и прикладной химии . Получено 6 мая 2014 г. .
  17. ^ Управление критическими изотопами: контроль за литием-7 необходим для обеспечения стабильных поставок, GAO-13-716 // Счетная палата США , 19 сентября 2013 г.; pdf
  18. ^ Эмсли, Джон (2001). Строительные блоки природы: путеводитель по элементам от А до Я. Oxford University Press. С. 234–239. ISBN 978-0-19-850340-8.
  19. ^ Брамфилд, Джефф (1 марта 2001 г.). «Невероятно уменьшающееся ядро». Physical Review Focus . Том 7. doi :10.1103/PhysRevFocus.7.11.
  20. ^ Бунгау, Адриана; Алонсо, Хосе; Бартошек, Ларри; Конрад, Джанет (май 2018 г.). «Оптимизация выхода 8 Li для нейтринного эксперимента IsoDAR». Журнал приборостроения . 14 (3): 03001. arXiv : 1805.00410 . doi : 10.1088/1748-0221/14/03/P03001. S2CID  55756525.
  21. ^ «Новый ускоритель частиц призван раскрыть секреты странных атомных ядер». 15 ноября 2021 г.
  22. ^ Moriguchi, T.; Ozawa, A.; Ishimoto, S.; Abe, Y.; Fukuda, M.; Hachiuma, I.; Ishibashi, Y.; Ito, Y.; Kuboki, T.; Lantz, M.; Nagae, D.; Namihira, K.; Nishimura, D.; Ohtsubo, T.; Ooishi, H.; Suda, T.; Suzuki, H.; Suzuki, T.; Takechi, M.; Tanaka, K.; Yamaguchi, T. (16 августа 2013 г.). "Распределения плотности 11 Li, выведенные из измерений сечения реакции". Physical Review C. 88 ( 2): 024610. Bibcode : 2013PhRvC..88b4610M. doi :10.1103/PhysRevC.88.024610.
  23. ^ Браун, Б. Алекс (13 декабря 2010 г.). «Острова понимания в ядерной диаграмме». Physics . 3 (25): 104. arXiv : 1010.3999 . doi :10.1103/PhysRevLett.105.252501. PMID  21231582. S2CID  43334780.

Внешние ссылки

Льюис, ГН; Макдональд, Р.Т. (1936). «Разделение изотопов лития». Журнал Американского химического общества . 58 (12): 2519–2524. doi :10.1021/ja01303a045.