Ізотоп літію: визначення та застосування

Ізотопи літію знаходять широке застосування не тільки в ядерній промисловості, але і при виробництві акумуляторів, що перезаряджаються. Існує кілька їх типів, з них два зустрічаються в природі. Ядерні реакції з ізотопами супроводжуються виділенням великої кількості випромінювання, що є перспективним напрямком в енергетичній промисловості.

Визначення

Ізотопи літію-це різновиди атомів даного хімічного елемента. Вони відрізняються між собою кількістю нейтрально заряджених елементарних частинок (нейтронів). Сучасній науці відомо 9 таких ізотопів, сім з яких-штучні, з атомною масою від 4 до 12.

З них найбільш стійким є ⁸Li. Його період напіврозпаду становить 0,8403 секунди. Виявлено також 2 види ядерних ізомерних нуклідів (атомних ядер, які відрізняються не тільки кількістю нейтронів, але і протонів) – ^10m1Li і ^10m2Li. Вони різні за будовою атомів в просторі і за властивостями.

Знаходження в природі

У природних умовах є тільки 2 стабільних ізотопу-з масою 6 і 7 одиниць а. е. м (⁶Li, ⁷Li). Найбільш поширеним з них є другий ізотоп літію. Літій в періодичній системі Менделєєва має порядковий номер 3, а його основне масове число-7 а. е. м. Цей елемент досить рідко зустрічається в земній корі. Його видобуток і переробка є дорогими.

Основною сировиною для отримання металевого літію служить його карбонат (або вуглекислий літій), який переводять в хлорид, а потім виробляють його електроліз в суміші з KCl або BaCl. Карбонат виділяють з природних матеріалів (лепідоліт, піроксен сподумен) при спіканні з CaO або CaCO₃.

У зразках співвідношення ізотопів літію може сильно варіюватися. Це відбувається в результаті природного або штучного фракціонування. Даний факт враховується при проведенні точних лабораторних дослідів.

Характеристика

Ізотопи літію ⁶Li і ⁷Li відрізняються ядерними властивостями: ймовірністю взаємодії елементарних частинок атомного ядра і продуктами реакцій. Тому сфера їх застосування також різна.

При бомбардуванні ізотопу літію ⁶Li повільними нейтронами отримують надважкий водень (тритій). При цьому відбувається відщеплення альфа-частинок і утворення гелію. Частинки викидаються в протилежних напрямках. Дана ядерна реакція показана на малюнку нижче.

Це властивість ізотопу застосовується в якості альтернативи для заміни тритію в термоядерних реакторах і бомбах, так як для тритію характерна менша стабільність.

Ізотоп літію ⁷Li в рідкому вигляді володіє великою питомою теплоємністю і низьким ядерним ефективним перетином. У сплаві з натрієм, цезієм і фторидом берилію він застосовується в якості теплоносія, а також розчинника фторидів U і Th в рідкосолевих ядерних реакторах.

Компонування ядер

Найбільш поширена в природі компоновка ядер атомів літію включає 3 протона і 4 нейтрона. Решта мають по 3 таких частинки. Компонування ядер ізотопів літію показано на малюнку нижче (а і б відповідно).

Щоб з ядра атома гелію утворилося ядро атома Li, необхідно і достатньо додати 1 протон і 1 нейтрон. Ці частинки з`єднують їх магнітні сили. Нейтрони мають складне магнітне поле, яке складається з 4 полюсів, тому на малюнку у першого ізотопу середній нейтрон володіє трьома зайнятими контактами і одним потенційно вільним.

Мінімальна енергія зв`язку ізотопу літію ⁷Li, необхідна для розщеплення ядра елемента на нуклони, становить 37,9 МЕВ. Її визначають за методикою розрахунку, наведеної нижче.

У цих формулах змінні та постійні величини мають таке значення:

• n - кількість нейтронів;
• m-маса нейтрона;
• p - кількість протонів;
• dM-різниця між масою частинок, що складають ядро, і масою ядра ізотопу літію;
• 931 МЕВ – енергія, що відповідає 1 а. е. м.

Ядерні перетворення

Ізотопи цього елемента можуть мати до 5 зайвих нейтронів в ядрі. Однак час існування такого різновиду літію не перевищує декількох мілісекунд. При захопленні протона ізотоп ⁶Li перетворюється на ⁷Be, який потім розпадається на альфа-частинку та ізотоп гелію ³He. При бомбардуванні дейтронами знову виникає ⁸Be. При захопленні дейтрона ядром ⁷Li виходить ядро ⁹Be, яке відразу розпадається на 2 альфа-частинки і нейтрон.

Як показують експерименти, при бомбардуванні ізотопів літію можна спостерігати велику різноманітність ядерних реакцій. При цьому виділяється значна кількість енергії.

Отримання

Поділ ізотопів літію може здійснюватися кількома способами. Найбільш поширеними з них є:

• Поділ в потоці пара. Для цього в циліндричній посудині поміщають діафрагму уздовж його осі. Газоподібна суміш ізотопів подається назустріч допоміжному пару. У лівій частині апарату накопичується частина молекул, збагачених легким ізотопом. Це відбувається через те, що легким молекулам властива велика швидкість дифузії через діафрагму. Вони виводяться разом з потоком пара з верхнього патрубка.
• Термодифузійний процес. У цій технології, як і в попередній, застосовується властивість різних швидкостей для рухомих молекул. Процес поділу відбувається в колонах, у яких охолоджуються стінки. Усередині них по центру протягнута розпечена дріт. В результаті природної конвекції виникає 2 потоку-теплий рухається уздовж дроту вгору, а холодний-уздовж стінок вниз. У верхній частині скупчуються і виводяться легкі ізотопи, а в нижній-важкі.
• Центрифугування газу. Суміш ізотопів проганяють в центрифузі, яка являє собою тонкостінний циліндр, що обертається з великою швидкістю. Більш важкі ізотопи відкидаються відцентровою силою до стінок центрифуги. За рахунок руху пара вони несуться вниз, а легкі ізотопи з центральної частини апарат-вгору.
• Хімічний спосіб. Хімічна реакція протікає в 2 реактивах, що знаходяться в різному фазовому стані, що дозволяє розділити потоки ізотопів. Існують різновиди цієї технології, коли виробляють іонізацію певних ізотопів лазером і подальше їх поділ магнітним полем.
• Електроліз хлористих солей. Даний метод застосовується для ізотопів літію тільки в лабораторних умовах.

Застосування

Практично всі сфери застосування літію пов`язані саме з його ізотопами. Різновид елемента з масовим числом 6 використовується в наступних цілях:

• як джерело тритію (ядерне паливо в реакторах);
• для промислового синтезу ізотопів тритію;
• для виготовлення термоядерної зброї.

Ізотоп ⁷Li застосовується в наступних областях:

• для виробництва акумуляторних батарей;
• в медицині – для виготовлення антидепресантів і транквілізаторів;
• в реакторах: в якості теплоносія, для підтримки експлуатаційних режимів водяних енергетичних реакторів АЕС, для очищення теплоносія в демінералізаторах першого контуру ядерних реакторів.

Сфера застосування ізотопів літію стає все ширше. У зв`язку з цим однією з нагальних проблем промисловості є отримання речовини високої чистоти, включаючи моно-ізотопні продукти.

У 2011 році також розпочато випуск тритієвих акумуляторів, які отримують опроміненням літію ізотопами літію. Вони використовуються там, де потрібні малі струми і тривалий термін служби (кардіостимулятори та інші імплантати, свердловинні датчики та інша апаратура). Період напіврозпаду тритію, а отже, і термін служби акумулятора, становить 12 років.