Изотопы лития

Изотопы лития ( 3 Li  )
Основные изотопы [1]Разлагаться
избытокпериод полураспада ( t 1/2 )режимпродукт
6 Ли[1,9%, 7,8%]стабильный
7 Ли[92,2%, 98,1%]стабильный
Значительные различия наблюдаются в коммерческих образцах из-за широкого распространения образцов, обедненных 6 Li.
Стандартный атомный вес A r °(Li)

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


Нуклид
[n 1]		ЗНИзотопная масса ( Да ) [6] [n 2] [n 3]
Период полураспада [1]

[ ширина резонанса ]
Режим распада [1]
[n 4]		Дочерний
изотоп
[n 5]		Спин и
четность [1]
[n 6] [n 7]		Природная распространенность (мольная доля)
Энергия возбужденияНормальная пропорция [1]Диапазон вариаций
3
Ли
[н 8]		303.030 78 (215) #п  ? [н 9]2
Он
 ?		3/2−#
4
Ли
314.027 19 (23)91(9) лет
[5,06(52) МэВ ]		п3
Он
2−
5
Ли
325.012 540 (50)370(30) лет
[1,24(10) МэВ ]		п4
Он
3/2−
6
Ли
[н 10]		336.015 122 8874 (15)Стабильный1+[0,019 ,0,078 ] [7]
6м
Ли
3 562 .88(10) кэВ56(14) какЭТО6
Ли
0+
7
Ли
[н 11]		347.016 003 434 (4)Стабильный3/2−[0,922 ,0,981 ] [7]
8
Ли
358.022 486 24 (5)838,7(3) мсβ −8
Быть
[н 12]		2+
9
Ли
369.026 790 19 (20)178,2(4) мсβ − n (50,5(1,0)% )8
Быть
[н 13]		3/2−
β − (49,5(1,0)% )9
Быть
10
Ли
3710.035 483 (14)2.0(5) зс
[0,2(1,2) МэВ ]		н9
Ли
(1−, 2−)
10м1
Ли
200(40) кэВ3,7(1,5) зсЭТО1+
10м2
Ли
480(40) кэВ1.35(24) зс
[0,350(70) МэВ ]		ЭТО2+
11
Ли
[н 14]		3811.043 7236 (7)8,75(6) мсβ − n (86.3(9)% )10
Быть
3/2−
β − (6,0(1,0)% )11
Быть
β − 2n (4.1(4)% )9
Быть
β − 3n (1,9(2)% )8
Быть
[н 15]
β − α (1.7(3)% )7
Он
β − д (0,0130(13)% )9
Ли
β − т (0,0093(8)% )8
Ли
12
Ли
3912.053 78 (107) #< 10 нсн ? [н 9]11
Ли
 ?		(1−, 2−)
13
Ли
31013.061 170 (80)3.3(1.2) зс
[0,2(9,2) МэВ ]		2н11
Ли
3/2−#
Заголовок и нижний колонтитул этой таблицы:
  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:
    ЭТО:Изомерный переход
    н:Нейтронное излучение
    р:Эмиссия протонов
  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] Напорные тяжеловодные реакторы, 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 равны2,076 ± 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.

Ли 3 4 → 91   ys Он 2 3 + ЧАС 1 1 Ли 3 5 → 370   ys Он 2 4 + ЧАС 1 1 Ли 3 8 → 838.7   РС Быть 4 8 + е − Ли 3 9 → 178.2   РС Быть 4 8 + н 0 1 + е − Ли 3 9 → 178.2   РС Быть 4 9 + е − Ли 3 10 → 2   зс Ли 3 9 + н 0 1 Ли 3 11 → 8.75   РС Быть 4 10 + н 0 1 + е − Ли 3 11 → 8.75   РС Быть 4 11 + е − Ли 3 11 → 8.75   РС Быть 4 9 + 2 н 0 1 + е − Ли 3 11 → 8.75   РС Быть 4 8 + 3 н 0 1 + е − Ли 3 11 → 8.75   РС Он 2 7 + Он 2 4 + е − Ли 3 11 → 8.75   РС Ли 3 8 + ЧАС 1 3 + е − Ли 3 11 → 8.75   РС Ли 3 9 + ЧАС 1 2 + е − Ли 3 12 ⟶ Ли 3 11 + н 0 1 {\displaystyle {\begin{array}{l}{}\\{\ce {^{4}_{3}Li->[91~{\ce {ys}}]{^{3}_{2 }He}+{^{1}_{1}H}}}\\{\ce {^{5}_{3}Li->[370~{\ce {ys}}]{^{4} _{2}He}+{^{1}_{1}H}}}\\{\ce {^{8}_{3}Li->[838.7~{\ce {ms}}]{^ {8}_{4}Be}+e^{-}}}\\{\ce {^{9}_{3}Li->[178.2~{\ce {ms}}]{^{8}_{4}Be}+{^{1}_{0}n}+e^{-}}}\\{\ce {^{9}_{3} Li->[178.2~{\ce {ms}}]{^{9}_{4}Be}+e^{-}}}\\{\ce {^{10}_{3}Li-> [2~{\ce {zs}}]{^{9}_{3}Li}+{^{1}_{0}n}}}\\{\ce {^{11}_{3} Li->[8.75~{\ce {ms}}]{^{10}_{4}Be}+{^{1}_{0}n}+e^{-}}}\\{\ce {^{11}_{3}Li->[8.75~{\ce {ms}}]{^{11}_{4}Be}+e^{-}}}\\{\ce {^{11}_{3}Li->[8.75~{\ce {ms} }]{^{9}_{4}Be}+2{^{1}_{0}n}+e^{-}}}\\{\ce {^{11}_{3}Li- >[8.75~{\ce {ms}}]{^{8}_{4}Be}+3{^{1}_{0}n}+e^{-}}}\\{\ce { ^{11}_{3}Li->[8.75~{\ce {ms}}]{^{7}_{2}He}+{^{4}_{2}He}+e^{- }}}\\{\ce {^{11}_{3}Li->[8.75~{\ce {ms}}]{^{8}_{3}Li}+{^{3}_{1}H}+e^{-}}}\\{\ce {^{11}_{3} Li->[8.75~{\ce {ms}}]{^{9}_{3}Li}+{^{2}_{1}H}+e^{-}}}\\{\ce {^{12}_{3}Li->{^{11}_{3}Li}+{^{1}_{0}n}}}\\{}\end{array}}}

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). «Первобытная 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 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. ^ 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.). «Острова понимания в ядерной диаграмме». Physics . 3 (25): 104. arXiv : 1010.3999 . doi :10.1103/PhysRevLett.105.252501. PMID  21231582. S2CID  43334780.

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

Взято с "https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Изотопы_лития&oldid=1250377489#Литий-6"