Ізотопи літію знаходять широке застосування не лише в ядерній промисловості, але і при виробництві акумуляторів, що перезаряджаються. Існує декілька 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, з яких сім – 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 та за властивостями.
Знаходження в природі
В природних умовах є тільки 2 стабільних ізотопи – з масою 6 і 7 одиниць а. тобто м (6Li, 7Li). Найбільш поширеним з них є другою ізотоп літію. Літій у періодичній системі Менделєєва має порядковий номер 3, а його основне масове число – 7. е. м. Цей елемент досить рідко зустрічається в земній корі. Його видобуток і переробка є дорогими.
Основною сировиною для одержання металевого літію служить його карбонат (або вуглекислий літій), який переводять в хлорид, а потім проводять його електроліз в суміші з KCl або BaCl. Карбонат виділяють з природних матеріалів (лепидолит, 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.
Характеристики
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. Частки викидаються в протилежних напрямках. Ця 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 ядерних ефективним перерізом. В сплаві з натрієм, цезієм і фторидом берилію він застосовується в якості теплоносія, а також розчинника фторидів U і Th жидкосолевых ядерних реакторах.
Компонування ядер
Найпоширеніша в природі компонування 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 в 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, наведеною нижче.
В цих формулах змінні та постійні величини мають наступний сенс:
- n – кількість нейтронів;
- m – маса нейтрона;
- p – кількість протонів;
- dM – різниця між масою частинок, складових ядро, і масою ядра ізотопу літію;
- 931 мев – енергія, відповідна 1 а. е. м.
Ядерні перетворення
Ізотопи елемента можуть мати до 5 зайвих нейтронів в ядрі. Проте час існування такого різновиду літію не перевищує декількох мілісекунд. При захопленні протона ізотоп 6Li перетворюється в 7Be, який потім розпадається на альфа-частинку і ізотоп гелію 3 he. 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 велике розмаїття ядерних реакцій. При цьому виділяється значна кількість енергії.
Отримання
Розділення ізотопів літію може здійснюватися кількома способами. Найбільш поширеними з них є:
- Розподіл у потоці пари. Для цього в циліндричному посудині поміщають діафрагму вздовж його осі. Газоподібна суміш ізотопів подається назустріч допоміжному пару. У лівій частині апарату накопичується частина молекул, збагачених легким ізотопом. Це відбувається з-за того, що легким молекулам властива велика швидкість дифузії через діафрагму. Вони виводяться разом з потоком пари з верхнього патрубка.
- Термодиффузионный процес. В 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 накопичуються 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 відцентровою силою відкидаються 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, які перебувають у 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:
- в якості джерела тритію (ядерне паливо в реакторах);
- для промислового синтезу ізотопів тритію;
- для виготовлення термоядерної зброї.
Ізотоп 7Li застосовується в наступних областях:
- для виробництва акумуляторних батарей, що перезаряджаються;
- в медицині – для виготовлення антидепресантів та транквілізаторів;
- у реакторах: в якості теплоносія, для підтримання експлуатаційних режимів водяних енергетичних реакторів АЕС, для очищення теплоносія в деминерализаторах першого контуру ядерних реакторів.
Сфера застосування ізотопів літію стає все ширше. У зв’язку з цим однією з нагальних проблем промисловості є одержання речовини високої чистоти, включаючи моно-ізотопні продукти.
У 2011 році також розпочато випуск тритиевых 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.
