stringtranslate.com

Изотопы лития

Встречающийся в природе литий ( 3 Li) состоит из двух стабильных изотопов : лития-6 и лития-7, причем последнего на Земле гораздо больше. Оба природных изотопа имеют неожиданно низкую энергию связи ядра на нуклон (5 332 .3312(3) кэВ для лития-6 и5 606 .4401(6) кэВ для лития-7) 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 — литий-8, период полураспада которого составляет всего838,7(3)  миллисекунды . Литий-9 имеет период полураспада178,2(4) мс , а период полураспада лития-11 составляет8,75(6) мс . Все остальные изотопы лития имеют период полураспада менее 10 наносекунд . Самый короткоживущий известный изотоп лития — литий-4, который распадается с испусканием протонов с периодом полураспада около91(9) йоктосекунд (9,1(9) × 10 -23  с ), хотя период полураспада лития-3 еще не определен и, вероятно, будет намного короче, как у гелия-2 (дипротона), который подвергается испусканию протонов в течение10 −9 с.

Литий-7 и литий-6 являются двумя первичными нуклидами , которые были произведены в результате Большого взрыва , при этом литий-7 составлял 10 -9 всех первичных нуклидов, а литий-6 - около 10 -13 . [4] Также известно, что небольшой процент лития-6 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 заменяют магний или железо в определенных октаэдрических местах глин , а литий -6 иногда предпочтительнее лития-7. Это приводит к некоторому обогащению лития-6 в геологических процессах.

Литий-6 является важным изотопом в ядерной физике , поскольку при бомбардировке его нейтронами образуется тритий .

Изотопы 6 Li и 7 Li демонстрируют эффект ядерного магнитного резонанса , несмотря на то, что они квадруполярны (с ядерными спинами 1+ и 3/2-). 6 Li имеет более четкие линии, но из-за его меньшего содержания требует более чувствительного ЯМР-спектрометра. 7 Li более распространен, но имеет более широкие линии из-за 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 ) указывается в краткой форме в скобках после соответствующих последних цифр.
  3. ^ # - Атомная масса, отмеченная #: значение и неопределенность получены не на основе чисто экспериментальных данных, но, по крайней мере, частично на основе трендов поверхности массы (TMS).
  4. ^ Способы распада:
  5. ^ Жирный символ в виде дочернего продукта — дочерний продукт стабилен.
  6. ^ ( ) значение вращения — указывает на вращение со слабыми аргументами присваивания.
  7. ^ # - Значения, отмеченные #, получены не только на основе экспериментальных данных, но, по крайней мере, частично на основе тенденций соседних нуклидов (TNN).
  8. ^ Открытие этого изотопа не подтверждено.
  9. ^ ab Показанный режим распада энергетически разрешен, но экспериментально не наблюдался в этом нуклиде.
  10. ^ Одно из немногих стабильных нечетно-нечетных ядер.
  11. ^ Произведено в результате нуклеосинтеза Большого взрыва и расщепления космическими лучами.
  12. ^ Сразу распадается на две α-частицы в результате суммарной реакции 8 Li → 2 4 He + e −
  13. ^ Сразу распадается на две α-частицы в результате суммарной реакции 9 Li → 2 4 He + 1 n + e −
  14. ^ Имеет 2 гало- нейтрона.
  15. ^ Сразу распадается на два атома 4 He в результате суммарной реакции 11 Li → 2 4 He + 3 1 n + e -

Разделение изотопов

Разделение Колекса

Литий-6 имеет большее сродство к элементу ртути , 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.

В методе разделения колекс ( замена колонки ) этот метод используется путем пропускания противотока амальгамы и гидроксида через каскад ступеней. Фракция лития-6 преимущественно осушается ртутью, а литий-7 течет преимущественно 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 с выделением фракции лития-7. Обогащение, полученное с помощью этого метода, зависит от длины колонки и скорости потока.

Другие методы

В методе вакуумной перегонки литий нагревают до температуры около550  °С в вакууме . Атомы лития испаряются с поверхности жидкости и собираются на холодной поверхности, расположенной на высоте нескольких сантиметров над поверхностью жидкости. [8] Поскольку атомы лития-6 имеют большую длину свободного пробега , их собирают преимущественно. Теоретическая эффективность разделения этого метода составляет около 8,0 процента. Для получения более высоких степеней разделения можно использовать многостадийный процесс.

Изотопы лития в принципе можно разделить также электрохимическим методом и ректификационной 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 . В 1969 году сообщалось, что протон несвязан , но этот результат не был принят, и его существование, таким образом, не доказано. [10] Никаких других резонансов , связанных с3
Ли
сообщалось, и ожидается, что он распадется с быстрым испусканием протонов (так же, как дипротон ,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 с испусканием протонов до гелия-3 . [12] Литий-4 может образовываться в качестве промежуточного продукта 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. Большое количество лития-6 было выделено для использования в термоядерном оружии . Выделение лития-6 к настоящему времени прекратилось в крупных термоядерных державах , но его запасы в этих странах остаются .

Реакция синтеза дейтерия и трития исследовалась как возможный источник энергии, поскольку в настоящее время это единственная реакция синтеза с достаточным выходом энергии для практической реализации. В этом сценарии для производства необходимых количеств трития потребуется литий, обогащенный литием-6. Минеральные ресурсы и литиевые рассолы являются потенциальным ограничивающим фактором в этом сценарии, но в конечном итоге можно использовать и морскую воду. [13] Тяжеловодные реакторы под давлением, такие как CANDU , производят небольшие количества трития в теплоносителе/замедлителе в результате поглощения нейтронов, и его иногда 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 на сегодняшний день является наиболее 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 . Термоядерное испытание Касл -Браво значительно превысило ожидаемую мощность из-за неверных предположений о ядерных свойствах лития-7.

Промышленное производство лития-6 приводит к образованию отходов, обогащенных литием-7 и обедненных литием-6. Этот материал продавался на коммерческой основе, и часть его попала в окружающую среду. Относительное содержание лития-7, на 35 процентов превышающее естественное значение, было измерено в грунтовых водах карбонатного водоносного горизонта под ручьем Вест-Вэлли в Пенсильвании , расположенном ниже по течению от завода по переработке лития. Изотопный состав лития в обычных материалах может несколько меняться в зависимости от его происхождения, что определяет его относительную атомную массу в исходном материале. Точную относительную атомную массу образцов лития невозможно измерить для всех источников лития. [15]

Литий-7 используется в составе расплавленного фторида лития в реакторах с расплавленными солями : жидкофторидных ядерных реакторах . Большое сечение поглощения нейтронов лития-6 (около 940 барн [16] ) по сравнению с очень малым сечением нейтронного сечения лития-7 (около 45 милбарн ) делает высокое отделение лития-7 от природного лития сильным требованием для возможное использование в реакторах на основе фторида лития.

Гидроксид лития-7 применяется для подщелачивания теплоносителя в водо-водяных реакторах . [17]

За несколько пикосекунд было произведено 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 электронных антинейтрино с энергией 6,4 МэВ , генерируемых в результате обратного бета-распада до бериллия-8. Сотрудничество ISODAR по физике элементарных частиц описывает схему получения лития-8 для немедленного распада путем бомбардировки стабильного лития-7 протонами с энергией 60 МэВ, создаваемыми циклотронным ускорителем частиц . [20]

Литий-11

Литий-11 представляет собой гало-ядро , состоящее из ядра лития-9, окруженного двумя слабосвязанными нейтронами; оба нейтрона должны присутствовать, чтобы эта система могла быть связана, что привело к описанию как « ядро Борромео ». [21] В то время как среднеквадратичный радиус протона 11 Li равен2.18+0,16
−0,21 fm , его нейтронный радиус намного больше при3.34+0,02
−0,08 фм ; для сравнения соответствующие цифры для 9 Li равны2,076 ± 0,037 Фм для протонов и2,4 ± 0,03 Фм для нейтронов. [22] Он распадается путем бета-излучения и нейтронного излучения до10
Быть
,11
Быть
, или9
Быть
(см. таблицы выше и ниже). Имея магическое число в 8 нейтронов, 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 с испусканием нейтронов на11
Ли
, который распадается, как упоминалось выше.

Цепи распада

В то время как β - распад на изотопы бериллия (часто в сочетании с одно- или множественной нейтронной эмиссией) преобладает в более тяжелых изотопах лития,10
Ли
и12
Ли
распад через эмиссию нейтронов в9
Ли
и11
Ли
соответственно из-за их положения за линией капель нейтронов . Также наблюдалось, что литий-11 распадается в результате нескольких форм деления. Изотопы легче, чем6
Ли
распадаются исключительно за счет испускания протонов, поскольку они находятся за пределами линии стекания протонов. Режимы распада двух изомеров10
Ли
неизвестны.

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ abcde Кондев, ФГ; Ван, М.; Хуанг, WJ; Наими, С.; Ауди, Г. (2021). «Оценка ядерных свойств NUBASE2020» (PDF) . Китайская физика C . 45 (3): 030001. doi :10.1088/1674-1137/abddae.
  2. ^ «Стандартные атомные массы: литий». ЦИАВ . 2009.
  3. ^ Прохаска, Томас; Ирргехер, Йоханна; Бенефилд, Жаклин; Бёлке, Джон К.; Чессон, Лесли А.; Коплен, Тайлер Б.; Дин, Типинг; Данн, Филип Дж. Х.; Грёнинг, Манфред; Холден, Норман Э.; Мейер, Харро Эй Джей (4 мая 2022 г.). «Стандартные атомные массы элементов 2021 (Технический отчет ИЮПАК)». Чистая и прикладная химия . doi : 10.1515/pac-2019-0603. ISSN  1365-3075.
  4. ^ Филдс, Брайан Д. (2011). «Проблема изначального лития». Ежегодный обзор ядерной науки и науки о элементарных частицах . 61 (1): 47–68. arXiv : 1203.3551 . Бибкод : 2011ARNPS..61...47F. doi : 10.1146/annurev-nucl-102010-130445 . S2CID  119265528.
  5. ^ "(Li) ЯМР лития" .
  6. ^ Ван, Мэн; Хуанг, WJ; Кондев, ФГ; Ауди, Г.; Наими, С. (2021). «Оценка атомной массы AME 2020 (II). Таблицы, графики и ссылки *». Китайская физика C . 45 (3): 030003. doi :10.1088/1674-1137/abddaf.
  7. ^ ab «Атомный вес лития». ciaaw.org . Проверено 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. дои : 10.1007/BF01491187. ISSN  1573-8205. S2CID  96799991.
  9. ^ Бадея, Сильвиу-Лаурентиу; Никулеску, Виолета-Каролина; Иордаче, Андреа-Мария (апрель 2023 г.). «Новые тенденции в методах разделения изотопов лития: обзор методов химического разделения». Материалы . 16 (10): 3817. Бибкод : 2023Mate...16.3817B. дои : 10.3390/ma16103817 . ISSN  1996-1944 гг. ПМЦ 10222844 . ПМИД  37241444. 
  10. ^ Ауди, Г.; Кондев, ФГ; Ван, М.; Хуанг, WJ; Наими, С. (2017). «Оценка ядерных свойств NUBASE2016» (PDF) . Китайская физика C . 41 (3): 030001–21. Бибкод : 2017ChPhC..41c0001A. дои : 10.1088/1674-1137/41/3/030001.
  11. ^ Перселл, Дж. Э.; Келли, Дж. Х.; Кван, Э.; Шу, К.Г.; Веллер, HR (2010). «Энергетические уровни легких ядер (A = 3)» (PDF) . Ядерная физика А . 848 (1): 1. Бибкод : 2010NuPhA.848....1П. doi :10.1016/j.nuclphysa.2010.08.012. Архивировано из оригинала (PDF) 1 февраля 2018 года . Проверено 3 января 2020 г.
  12. ^ «Изотопы лития» . Проверено 20 октября 2013 г.
  13. ^ Брэдшоу, AM; Хамахер, Т.; Фишер, У. (2010). «Является ли ядерный синтез устойчивой формой энергии?» (PDF) . Термоядерная инженерия и дизайн . 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). Спин-1 ЯМР. Springer Science & Business Media. п. 5. ISBN 9783642610899.
  15. ^ Коплен, Тайлер Б.; Хоппл, Дж.А.; Бёлке, Джон Карл; Пейзер, Х. Штеффен; Ридер, SE; Крауз, HR; Росман, Кевин-младший; Дин, Т.; Воке, Р.Д., младший; Ревес, К.М.; Ламберти, А.; Тейлор, Филип Д.П.; Де Бьевр, Поль; «Подборка минимальных и максимальных соотношений изотопов отдельных элементов в природных земных материалах и реагентах», Отчет Геологической службы США по исследованию водных ресурсов 01-4222 (2002). Цитируется в TB Coplen; и другие. (2002). «Вариации содержания изотопов отдельных элементов (технический отчет ИЮПАК)» (PDF) . Чистая и прикладная химия . 74 (10): 1987–2017. дои : 10.1351/pac200274101987. S2CID  97223816. Архивировано из оригинала (PDF) 3 марта 2016 года . Проверено 29 октября 2012 г.
  16. ^ Холден, Норман Э. (январь – февраль 2010 г.). «Влияние обедненного 6Li на стандартный атомный вес лития». Химия Интернэшнл . Международный союз теоретической и прикладной химии . Проверено 6 мая 2014 г.
  17. ^ Управление критическими изотопами: управление литием-7 необходимо для обеспечения стабильных поставок, GAO-13-716 // Счетная палата правительства США , 19 сентября 2013 г.; PDF
  18. ^ Эмсли, Джон (2001). Строительные блоки природы: Путеводитель по элементам от Аризоны. Издательство Оксфордского университета. стр. 234–239. ISBN 978-0-19-850340-8.
  19. ↑ Брамфилд, Джефф (1 марта 2001 г.). «Невероятное сокращающееся ядро». Фокус физического обзора . Том. 7. дои : 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): P03001. arXiv : 1805.00410 . дои : 10.1088/1748-0221/14/03/P03001. S2CID  55756525.
  21. ^ «Новый ускоритель частиц призван раскрыть секреты причудливых атомных ядер» . 15 ноября 2021 г.
  22. ^ Моригучи, Т.; Одзава, А.; Ишимото, С.; Абэ, Ю.; Фукуда, М.; Хатиума, И.; Ишибаси, Ю.; Ито, Ю.; Кубоки, Т.; Ланц, М.; Нагаэ, Д.; Намихира, К.; Нисимура, Д.; Оцубо, Т.; Ооиси, Х.; Суда, Т.; Сузуки, Х.; Сузуки, Т.; Такечи, М.; Танака, К.; Ямагучи, Т. (16 августа 2013 г.). «Распределение плотности 11 Li, полученное на основе измерений сечения реакции». Физический обзор C . 88 (2): 024610. Бибкод : 2013PhRvC..88b4610M. doi : 10.1103/PhysRevC.88.024610.
  23. ^ Браун, Б. Алекс (13 декабря 2010 г.). «Островки прозрения на ядерной карте». Физика . 3 (25): 104. arXiv : 1010.3999 . doi : 10.1103/PhysRevLett.105.252501. PMID  21231582. S2CID  43334780.

Внешние ссылки

Льюис, Дж.Н.; Макдональд, RT (1936). «Разделение изотопов лития». Журнал Американского химического общества . 58 (12): 2519–2524. дои : 10.1021/ja01303a045.