Litiumisotoper används i stor utsträckning, inte bara inom kärnkraftsindustrin, utan också i produktionen av laddningsbara batterier. Det finns flera typer av dem, varav två finns i naturen. Kärnreaktioner med isotoper åtföljs av utsläpp av stora mängder strålning, vilket är en lovande riktning inom energiindustrin.
Definition
Isotoper av litium är varianter av atomer av ett givet kemiskt element. De skiljer sig från varandra i antalet neutr alt laddade elementarpartiklar (neutroner). Modern vetenskap känner till 9 sådana isotoper, varav sju är konstgjorda, med atommassor från 4 till 12.
Av dessa är den mest stabila 8Li. Dess halveringstid är 0,8403 sekunder. 2 typer av nukleära isomera nuklider (atomkärnor som skiljer sig inte bara i antal neutroner, utan även protoner) har också identifierats - 10m1Li och 10m2 Li. De är olika i atomernas struktur i rymden och i egenskaper.
Att vara i naturen
I naturliga förhållanden finns det bara 2 stabila isotoper - med en massa på 6 och 7 enheter a. äta(6Li, 7Li). Den vanligaste av dessa är den andra isotopen av litium. Litium i Mendeleevs periodiska system har serienummer 3, och dess huvudsakliga massnummer är 7 a.u. e. m. Detta grundämne är ganska sällsynt i jordskorpan. Dess utvinning och bearbetning är kostsamma.
Det huvudsakliga råmaterialet för att erhålla metalliskt litium är dess karbonat (eller litiumkarbonat), som omvandlas till klorid och sedan elektrolyseras i en blandning med KCl eller BaCl. Karbonat isoleras från naturliga material (lepidolit, spodumenpyroxen) genom sintring med CaO eller CaCO3.
I prover kan förhållandet mellan litiumisotoper variera mycket. Detta sker som ett resultat av naturlig eller artificiell fraktionering. Detta faktum tas med i beräkningen när man utför noggranna laboratorieexperiment.
Funktioner
Litiumisotoper 6Li och 7Li skiljer sig åt i kärnegenskaper: sannolikheten för interaktion mellan elementarpartiklar i atomkärnan och reaktion Produkter. Därför är deras omfattning också annorlunda.
När litiumisotopen 6Li bombarderas med långsamma neutroner, produceras supertungt väte (tritium). I det här fallet spjälkas alfapartiklar och helium bildas. Partiklar stöts ut i motsatta riktningar. Denna kärnreaktion visas i figuren nedan.
Denna egenskap hos isotopen används som ett alternativ för att ersätta tritium i fusionsreaktorer och bomber, eftersom tritium kännetecknas av en mindrestabilitet.
Litiumisotop 7Li i flytande form har hög specifik värme och lågt kärnkraftseffektivt tvärsnitt. I en legering med natrium-, cesium- och berylliumfluorid används den som kylmedel, samt lösningsmedel för U- och Th-fluorider i kärnreaktorer med flytande s alt.
Kärnlayout
Det vanligaste arrangemanget av litiumatomer i naturen inkluderar 3 protoner och 4 neutroner. Resten har 3 sådana partiklar. Layouten av litiumisotopers kärnor visas i figuren nedan (a respektive b).
För att bilda kärnan i en Li-atom från kärnan i en heliumatom är det nödvändigt och tillräckligt att lägga till 1 proton och 1 neutron. Dessa partiklar kopplar samman sina magnetiska krafter. Neutroner har ett komplext magnetfält, som består av 4 poler, så i figuren för den första isotopen har den genomsnittliga neutronen tre upptagna kontakter och en potentiellt fri en.
Minsta bindningsenergi för litiumisotopen 7Li som krävs för att dela upp elementets kärna i nukleoner är 37,9 MeV. Det bestäms av beräkningsmetoden nedan.
I dessa formler har variabler och konstanter följande betydelse:
- n – antal neutroner;
- m – neutronmassa;
- p – antal protoner;
- dM är skillnaden mellan massan av partiklarna som utgör kärnan och massan av kärnan i litiumisotopen;
- 931 meV är energin som motsvarar 1 a.u. e.m.
Nucleartransformations
Isotoper av detta element kan ha upp till 5 extra neutroner i kärnan. Livslängden för denna typ av litium överstiger dock inte några millisekunder. När en proton fångas förvandlas isotopen 6Li till 7Be, som sedan sönderfaller till en alfapartikel och en heliumisotop 3 Han. När den bombarderas av deuteroner dyker 8Be upp igen. När en deuteron fångas upp av kärnan 7Li, erhålls kärnan 9Be, som omedelbart sönderfaller till 2 alfapartiklar och en neutron.
Som experiment visar, när man bombarderar litiumisotoper, kan en mängd olika kärnreaktioner observeras. Detta frigör en betydande mängd energi.
Receive
Litiumisotopseparation kan göras på flera sätt. De vanligaste är:
- Separation i ångflöde. För att göra detta placeras ett diafragma i ett cylindriskt kärl längs sin axel. Den gasformiga blandningen av isotoper matas mot hjälpångan. Några av molekylerna anrikade i ljusisotopen ackumuleras på vänster sida av apparaten. Detta beror på det faktum att lätta molekyler har en hög diffusionshastighet genom diafragman. De släpps ut tillsammans med ångflödet från det övre munstycket.
- Termodiffusionsprocess. I denna teknik, som i den föregående, används egenskapen för olika hastigheter för rörliga molekyler. Separationsprocessen sker i kolonner vars väggar är kylda. Inuti dem sträcks en glödhet tråd i mitten. Som ett resultat av naturlig konvektion uppstår 2 flöden - den varma rör sigledningar upp, och kall - längs väggarna ner. Lätta isotoper samlas och tas bort i den övre delen och tunga isotoper i den nedre delen.
- Gascentrifugering. En blandning av isotoper körs i en centrifug, som är en tunnväggig cylinder som roterar med hög hastighet. Tyngre isotoper kastas av centrifugalkraft mot centrifugens väggar. På grund av rörelsen av ånga förs de ner och lätta isotoper från den centrala delen av enheten - upp.
- Kemisk metod. Den kemiska reaktionen fortgår i 2 reagens som är i olika fastillstånd, vilket gör det möjligt att separera isotopflödena. Det finns varianter av denna teknik, när vissa isotoper joniseras av en laser och sedan separeras av ett magnetfält.
- Elektrolys av klorids alter. Denna metod används endast för litiumisotoper under laboratorieförhållanden.
Application
Praktiskt taget alla tillämpningar av litium är förknippade exakt med dess isotoper. En variant av elementet med massatalet 6 används för följande ändamål:
- som en källa till tritium (kärnbränsle i reaktorer);
- för industriell syntes av tritiumisotoper;
- för tillverkning av termonukleära vapen.
Isotope 7Li används i följande fält:
- för tillverkning av laddningsbara batterier;
- in medicin - för tillverkning av antidepressiva och lugnande medel;
- i reaktorer: som kylvätska, för att upprätthålla driftsförhållandena för vattenkraftreaktorer i kärnkraftverk, för att rengöra kylvätskan i avmineralisatorerna i kärnreaktorernas primära krets.
Omfattningen av litiumisotoper blir bredare. I detta avseende är ett av industrins pressande problem att få fram ett ämne med hög renhet, inklusive monoisotopiska produkter.
Under 2011 lanserades även tillverkningen av tritiumbatterier, som erhålls genom att bestråla litium med litiumisotoper. De används där låga strömmar och lång livslängd krävs (pacemakers och andra implantat, sensorer i hålet och annan utrustning). Halveringstiden för tritium, och därmed batteriets livslängd, är 12 år.
