Литиев изотоп: определение и приложение

Литиевите изотопи намират широко приложение не само в ядрената индустрия, но и в производството на акумулаторни батерии. Съществуват няколко вида, от които два се срещат в природата. Ядрените реакции с изотопи са съпроводени с излъчване на голямо количество радиация, което е перспективно направление в енергийната индустрия.

Определение

Изотопите на лития са видове атоми на този химичен елемент. Те се различават по броя на неутрално заредените елементарни частици (неутрони). Съвременната наука познава 9 такива изотопа, седем от които са изкуствени, с атомна маса между 4 и 12.

От тях най-стабилната е ⁸Li. Периодът му на полуразпад е 0,8403 секунди. Открити са и два вида ядрени изомерни нуклиди (атомни ядра, които се различават не само по броя на неутроните, но и по броя на протоните) ^10m1Li и ^10m2Li. Те се различават по структурата на атомите в пространството и по своите свойства.

Намира се в природата

В природата има само два стабилни изотопа с маси 6 и 7 a. е. м (⁶Li, ⁷Ли). Най-често срещаните От тях вторият изотоп на лития е. Литият в периодичната система на Менделеев е с пореден номер 3, а основното му масово число е 7а. е. м. Този елемент е доста рядък в земната кора. Добивът и рафинирането му са скъпи.

Основната суровина за производството на литиев метал е литиев карбонат (или литиев карбонат), който се превръща в хлорид и след това се електролизира в смес с KCl или BaCl. Карбонатът се извлича от природни материали (лепидолит, пироксен сподумен) чрез синтероване с CaO или CaCO₃.

Съотношението на литиевите изотопи в пробите може да варира в широки граници. Това се случва в резултат на естествено или изкуствено фракциониране. Този факт се взема предвид при прецизните лабораторни експерименти.

Характеристики

Литиеви изотопи ⁶Li и ⁷Li се различават по своите ядрени свойства: вероятността за взаимодействие между елементарните частици в атомното ядро и продуктите на реакцията. Затова и обхватът на тяхното приложение е различен.

Когато литиевият изотоп ⁶Изотопът на литий се бомбардира с бавни неутрони, за да се получи свръхтежък водород (тритий). При тези реакции се отделят алфа частици и се получава хелий. Частиците се изхвърлят в противоположни посоки. Тази ядрена реакция е показана на фигурата по-долу.

Това свойство на изотопа се използва като алтернатива за замяна на трития в реакторите за термоядрен синтез и бомбите, тъй като тритият е по-малко стабилен.

Литиев изотоп ⁷Li в течна форма има висок специфичен топлинен капацитет и ниско ядрено ефективно сечение. Сплавен с натриев, цезиев и берилиев флуорид, той се използва като охлаждаща течност, както и като разтворител за U и Th флуориди в ядрени реактори с течна сол.

разположение на ядрата

Най-често срещаното естествено подреждане на ядрата на литиевите атоми включва 3 протона и 4 неутрона. Останалите имат по 3 такива частици. Разположението на литиевите изотопи е показано на фигурата по-долу (съответно а и б).

За да може ядрото на хелиевия атом да образува ядрото на Li, ядрото да образува ядрото на хелиев атом, е необходимо и достатъчно добавете 1 протон и 1 неутрон. Тези частици са свързани с магнитните си сили. Неутроните имат сложно магнитно поле, което се състои от 4 полюса, така че на фигурата на първия изотоп средният неутрон има три заети контакта и един потенциално свободен.

Минималната енергия на свързване на литиевия изотоп ⁷Li, необходими за Ядрото на елемента се разделя на нуклеони, е 37,9 MeV. Тя се определя чрез процедурата за изчисление, посочена по-долу.

В тези формули променливите и константите имат следното значение:

• n е броят на неутроните;
• m е масата на неутрона;
• p е броят на протоните;
• dM е разликата между масата на частиците, изграждащи ядрото, и масата на ядрото на литиевия изотоп;
• 931 MeV е енергията, съответстваща на 1a. е. м.

Ядрени трансформации

Изотопите на този елемент могат да имат до 5 допълнителни неутрона в ядрото. Животът на този литиев вид обаче не надвишава няколко милисекунди. Чрез улавяне на протони изотопът ⁶Li се превръща в ⁷Be, който след това се разпада на алфа частица и изотоп на хелия ³Той. Деутеронната бомбардировка се появява отново ⁸Бъдете на. Когато деутерон се улавя от ядро ⁷Li води до ядро от ⁹Be, която веднага се разпада на 2 алфа частици и неутрон.

Както показват експериментите, голямо разнообразие от ядрени реакции може да се наблюдава, когато литиеви изотопи се бомбардират с. Освобождава се значително количество енергия.

Получаване на

Литиевите изотопи могат да се разделят чрез по няколко начина. Най-често срещаните са:

• Разделяне в поток от пари. Това става чрез поставяне на мембрана по оста на цилиндричния съд. Газовата смес от изотопи се изтласква към спомагателната пара. В лявата част на апарата се натрупва част от молекулите, обогатени с лек изотоп. Това се дължи на високата скорост на дифузия на светлинни молекули през диафрагмата. Те се изхвърлят с потока пара от горния изход.
• Термодифузионен процес. При тази технология, както и при предишната, се използва свойството на различните скорости на движещите се молекули. Процесът на разделяне се извършва в колони с охладени стени. Вътре в отвора, по протежение на центъра на отвора, е опъната нагорещена до червено жица. В резултат на естествената конвекция се появяват 2 течения - по-топлото се движи нагоре по проводника, а по-студеното - надолу по стените. В горната част се натрупват леки изотопи, които изтичат, а в долната част - тежки изотопи.
• Центрофугиране на газ. Смес от изотопи се центрофугира в центрофуга, която представлява тънкостенен цилиндър, въртящ се с висока скорост. По-тежките изотопи се центрофугират срещу стената на центрофугата. Поради движението на парата те се носят надолу, докато леките изотопи от централната част на апарата се носят нагоре.
• Химически метод. Химичната реакция протича при 2 реагента в различни фазови състояния, което позволява разделянето на потоците изотопи. Съществува разновидност на тази технология, при която определени изотопи се йонизират с лазер и след това се разделят с помощта на магнитно поле.
• Електролиза на хлоридни соли. Този метод се използва за литиеви изотопи само в лабораторията.

Приложения

Почти всички приложения на лития включват неговите изотопи. Вид елемент с масово число 6 се използва за следните цели:

• като източник на тритий (ядрено гориво в реакторите);
• за търговски синтез на изотопи на тритий;
• За производството на оръжия за термоядрен синтез.

Изотоп ⁷Li се използва в следните приложения:

• за производство на акумулаторни батерии;
• в областта на медицината - за производство на антидепресанти и транквиланти;
• В реактори: като охлаждаща течност, за поддържане на работните режими на водни енергийни реактори на атомни електроцентрали, за почистване на охлаждащата течност в деминерализаторите на първия контур на атомни реактори.

Литиевите изотопи се използват все повече в широк спектър от приложения. В този контекст един от неотложните проблеми за индустрията е получаването на вещество с висока чистота, включително моноизотопни продукти.

През 2011 г. започна и производството на тритиеви батерии, които се произвеждат чрез облъчване на литий с литиеви изотопи. Използват се, когато се изискват ниски токове и дълъг живот (пейсмейкъри и други импланти, сондажни сензори и друго оборудване). Период на полуразпад на трития, а следователно и експлоатационен живот Батерията е на 12 години.