Litiumisotoper er mye brukt, ikke bare i atomindustrien, men også i produksjonen av oppladbare batterier. Det finnes flere typer av dem, hvorav to finnes i naturen. Kjernefysiske reaksjoner med isotoper er ledsaget av frigjøring av store mengder stråling, som er en lovende retning i energiindustrien.
Definition
Isotoper av litium er varianter av atomer av et gitt kjemisk grunnstoff. De skiller seg fra hverandre i antall nøytr alt ladede elementærpartikler (nøytroner). Moderne vitenskap kjenner 9 slike isotoper, hvorav syv er kunstige, med atommasser fra 4 til 12.
Av disse er den mest stabile 8Li. Halveringstiden er 0,8403 sekunder. 2 typer nukleære isomere nuklider (atomkjerner som ikke bare er forskjellige i antall nøytroner, men også protoner) er også identifisert - 10m1Li og 10m2 Li. De er forskjellige i strukturen til atomer i rom og egenskaper.
Å være i naturen
I naturlige forhold er det bare 2 stabile isotoper - med en masse på 6 og 7 enheter a. spise(6Li, 7Li). Den vanligste av disse er den andre isotopen av litium. Litium i Mendeleevs periodiske system har serienummer 3, og hovedmassenummeret er 7 a.u. e. m. Dette grunnstoffet er ganske sjeldent i jordskorpen. Utvinningen og behandlingen er kostbar.
Hovedråstoffet for å oppnå metallisk litium er dets karbonat (eller litiumkarbonat), som omdannes til klorid, og deretter elektrolyseres i en blanding med KCl eller BaCl. Karbonat isoleres fra naturlige materialer (lepidolitt, spodumenpyroksen) ved sintring med CaO eller CaCO3.
I prøver kan forholdet mellom litiumisotoper variere mye. Dette skjer som et resultat av naturlig eller kunstig fraksjonering. Dette faktum tas i betraktning når du utfører nøyaktige laboratorieeksperimenter.
Funksjoner
Litiumisotoper 6Li og 7Li er forskjellige i kjernefysiske egenskaper: sannsynligheten for interaksjon mellom elementærpartikler i atomkjernen og reaksjon Produkter. Derfor er omfanget deres også annerledes.
Når litiumisotopen 6Li bombarderes med langsomme nøytroner, produseres supertungt hydrogen (tritium). I dette tilfellet sp altes alfapartikler og helium dannes. Partikler kastes ut i motsatte retninger. Denne kjernefysiske reaksjonen er vist i figuren nedenfor.
Denne egenskapen til isotopen brukes som et alternativ til å erstatte tritium i fusjonsreaktorer og bomber, siden tritium er preget av en mindrestabilitet.
Litiumisotop 7Li i flytende form har høy spesifikk varme og lavt kjernefysisk effektivt tverrsnitt. I en legering med natrium-, cesium- og berylliumfluorid brukes den som kjølevæske, samt løsemiddel for U- og Th-fluorider i væske-s alt atomreaktorer.
Kjerneoppsett
Det vanligste arrangementet av litiumatomer i naturen inkluderer 3 protoner og 4 nøytroner. Resten har 3 slike partikler. Oppsettet av kjernene til litiumisotoper er vist i figuren nedenfor (henholdsvis a og b).
For å danne kjernen til et Li-atom fra kjernen til et heliumatom, er det nødvendig og tilstrekkelig å legge til 1 proton og 1 nøytron. Disse partiklene forbinder deres magnetiske krefter. Nøytroner har et komplekst magnetfelt, som består av 4 poler, så i figuren for den første isotopen har det gjennomsnittlige nøytronet tre okkuperte kontakter og en potensielt ledig.
Minste bindingsenergi til litiumisotopen 7Li som kreves for å dele elementets kjerne i nukleoner er 37,9 MeV. Det bestemmes av beregningsmetoden gitt nedenfor.
I disse formlene har variabler og konstanter følgende betydning:
- n – antall nøytroner;
- m – nøytronmasse;
- p – antall protoner;
- dM er forskjellen mellom massen til partiklene som utgjør kjernen og massen til kjernen til litiumisotopen;
- 931 meV er energien som tilsvarer 1 a.u. e.m.
Atomkrafttransformasjoner
Isotoper av dette grunnstoffet kan ha opptil 5 ekstra nøytroner i kjernen. Levetiden til denne typen litium overskrider imidlertid ikke noen få millisekunder. Når et proton fanges opp, blir isotopen 6Li til 7Be, som deretter forfaller til en alfapartikkel og en heliumisotop 3 Han. Når det bombarderes av deuteroner, dukker 8Be opp igjen. Når et deuteron fanges opp av kjernen 7Li, oppnås kjernen 9Be, som umiddelbart henfaller til 2 alfapartikler og et nøytron.
Som eksperimenter viser, når man bombarderer litiumisotoper, kan en lang rekke kjernefysiske reaksjoner observeres. Dette frigjør en betydelig mengde energi.
Motta
Litiumisotopseparasjon kan gjøres på flere måter. De vanligste er:
- Separasjon i dampstrøm. For å gjøre dette plasseres en membran i et sylindrisk kar langs sin akse. Gassblandingen av isotoper mates mot hjelpedampen. Noen av molekylene anriket i lysisotopen akkumuleres på venstre side av apparatet. Dette skyldes det faktum at lette molekyler har høy diffusjonshastighet gjennom membranen. De slippes ut sammen med dampstrømmen fra toppdysen.
- Termodifusjonsprosess. I denne teknologien, som i den forrige, brukes egenskapen til forskjellige hastigheter for bevegelige molekyler. Separasjonsprosessen foregår i kolonner hvis vegger er avkjølt. Inne i dem er en rødglødende ledning strukket i midten. Som et resultat av naturlig konveksjon oppstår 2 strømmer - den varme beveger seg medledninger opp, og kaldt - langs veggene ned. Lette isotoper samles og fjernes i den øvre delen, og tunge isotoper i den nedre delen.
- Gasssentrifugering. En blanding av isotoper kjøres i en sentrifuge, som er en tynnvegget sylinder som roterer med høy hastighet. Tyngre isotoper kastes av sentrifugalkraft mot veggene i sentrifugen. På grunn av bevegelsen av damp blir de ført ned, og lette isotoper fra den sentrale delen av enheten - opp.
- Kjemisk metode. Den kjemiske reaksjonen foregår i 2 reagenser som er i forskjellige fasetilstander, noe som gjør det mulig å skille isotopstrømmene. Det finnes varianter av denne teknologien når visse isotoper ioniseres av en laser og deretter separeres av et magnetfelt.
- Elektrolyse av klorids alter. Denne metoden brukes kun for litiumisotoper under laboratorieforhold.
Application
Praktisk t alt alle anvendelser av litium er assosiert med dets isotoper. En variant av elementet med massetall 6 brukes til følgende formål:
- som en kilde til tritium (atombrensel i reaktorer);
- for industriell syntese av tritiumisotoper;
- for å lage termonukleære våpen.
Isotope 7Li brukes i følgende felt:
- for produksjon av oppladbare batterier;
- i medisin - for fremstilling av antidepressiva og beroligende midler;
- i reaktorer: som kjølevæske, for å opprettholde driftsforholdene til vannkraftreaktorer til kjernekraftverk, for å rense kjølevæsken i demineralisatorene til den primære kretsen av atomreaktorer.
Omfanget av litiumisotoper blir bredere. I denne forbindelse er et av industriens presserende problemer å få et stoff med høy renhet, inkludert monoisotopiske produkter.
I 2011 ble det også lansert produksjon av tritiumbatterier, som oppnås ved å bestråle litium med litiumisotoper. De brukes der lav strøm og lang levetid er nødvendig (pacemakere og andre implantater, nedihullssensorer og annet utstyr). Halveringstiden til tritium, og dermed levetiden til batteriet, er 12 år.
