Izotopul de litiu: definiție și aplicație

Izotopii de litiu sunt utilizați pe scară largă nu numai în industria nucleară, ci și în producția de baterii reîncărcabile. Există mai multe tipuri, dintre care două se întâlnesc în natură. Reacțiile nucleare cu izotopi sunt însoțite de emiterea unei cantități mari de radiații, ceea ce reprezintă o direcție promițătoare în industria energetică.

Definiție

Izotopii de litiu sunt tipuri de atomi ai unui anumit element chimic. Se deosebesc prin numărul de particule elementare încărcate neutru (neutroni). Știința modernă cunoaște 9 astfel de izotopi, dintre care 7 sunt artificiali, cu o masă atomică între 4 și 12.

Dintre acestea, cea mai stabilă este ⁸Li. Timpul său de înjumătățire este de 0,8403 secunde. Au fost identificate, de asemenea, două tipuri de nuclizi nucleari izomerici (nuclee atomice care diferă nu numai prin numărul de neutroni, ci și prin numărul de protoni) ^10m1Li și ^10m2Li. Ele diferă în structura atomică în spațiu și în proprietățile lor.

Găsirea în natură

În condiții naturale, există doar 2 izotopi stabili - de masă 6 și 7 a. е. м (⁶Li, ⁷Li). Cele mai frecvente din care este al doilea izotop al litiului. În sistemul periodic al lui Mendeleev, litiul are un număr de ordine 3, iar numărul său fundamental de masă este 7a. е. м. Acest element este destul de rar în scoarța terestră. Extracția și prelucrarea sa sunt costisitoare.

Materia primă de bază pentru litiu metalic este carbonatul de litiu (sau carbonatul de litiu), care este transformat în clorură și apoi electrolizat cu KCl sau BaCl. Carbonatul este izolat din materiale naturale (lepidolit, spodumen piroxenic) prin sinterizare cu CaO sau CaCO₃.

Raportul dintre izotopii de litiu din probe poate varia puternic. Acest lucru apare ca urmare a fracționării naturale sau artificiale. Acest fapt este luat în considerare în experimente precise de laborator.

Caracteristici

Izotopi de litiu ⁶Li și ⁷Li au proprietăți nucleare diferite: probabilitatea de interacțiune a particulelor elementare din nucleul atomic și a produselor de reacție. Prin urmare, aplicațiile lor sunt, de asemenea, diferite.

Când este bombardat cu izotopul de litiu ⁶Neutronii lenți Li produc hidrogen super-pesat (tritiu). Implică desprinderea particulelor alfa și producerea de heliu. Particulele sunt ejectate în direcții opuse. Această reacție nucleară este prezentată în figura de mai jos.

Această proprietate a izotopului este folosită ca substitut al tritiului în reactoarele de fuziune și în bombe, deoarece tritiul este mai puțin stabil.

Izotopul de litiu ⁷Li sub formă lichidă are o capacitate termică specifică ridicată și o secțiune eficace nucleară redusă. Într-un aliaj cu fluorura de sodiu, cesiu și beriliu, este utilizat ca agent de răcire, precum și ca solvent pentru fluorurile de U și Th în reactoarele nucleare cu sare lichidă.

Compoziția nucleelor

Cel mai comun aranjament natural al nucleelor de litiu include 3 protoni și 4 neutroni. Celelalte au câte 3 particule de acest fel. Dispunerea nucleelor izotopilor de litiu este prezentată în figura de mai jos (a și respectiv b).

Pentru ca nucleul unui atom de heliu să formeze nucleul unui atom Li, necesare și suficiente se adaugă 1 proton și 1 neutron. Aceste particule sunt unite între ele prin forțele lor magnetice. Neutronii au un câmp magnetic complex, format din 4 poli, astfel încât, în figura primului izotop, neutronul mediu are trei contacte ocupate și unul potențial liber.

Energia minimă de legătură a izotopului de litiu ⁷Li, necesare pentru a nucleului elementului care se descompune în nucleoni, este de 37,9 MeV. Se determină prin metoda de calcul de mai jos.

În aceste formule, variabilele și constantele au următoarea semnificație:

• n este numărul de neutroni;
• m este masa neutronului;
• p - numărul de protoni;
• dM este diferența dintre masa particulelor care alcătuiesc nucleul și masa nucleului izotopului de litiu;
• 931 MeV este energia care corespunde la 1 a. е. м.

Transformări nucleare

Izotopii acestui element pot avea până la 5 neutroni în plus în nucleu. Cu toate acestea, durata de viață a acestei varietăți de litiu nu depășește câteva milisecunde. Dacă se captează un proton, izotopul ⁶Li se transformă în ⁷Be, care se dezintegrează apoi într-o particulă alfa și un izotop de heliu ³El. Reapare bombardamentul cu deuteroni ⁸Fiți. Când un deuteron este capturat de un nucleu ⁷Li produce un nucleu ⁹Be, care se dezintegrează imediat în 2 particule alfa și un neutron.

După cum au arătat experimentele, o mare varietate de reacții nucleare pot fi observate atunci când izotopii de litiu sunt bombardați. Se eliberează o cantitate considerabilă de energie.

Obținerea

Izotopii de litiu pot fi separați prin în mai multe moduri. Cele mai frecvente sunt:

• Separarea într-un flux de vapori. Acest lucru se face prin plasarea unei diafragme de-a lungul axei vasului cilindric. Amestecul gazos de izotopi este împins spre vaporii auxiliari. Pe partea stângă a vasului se acumulează o parte din molecule, îmbogățite cu un izotop ușor. Acest lucru se datorează vitezei mari de difuzie a moleculelor de lumină prin deschizătură. Acestea sunt expulzate odată cu fluxul de vapori de la ieșirea superioară.
• Procesul de termodifuzie. În această tehnologie, ca și în cea precedentă, se aplică proprietatea de a avea viteze diferite pentru moleculele în mișcare. Procesul de separare are loc în coloane cu pereți răciți. Pe centrul diafragmei se află un fir roșu aprins. Convecția naturală produce 2 curenți - cel mai cald se deplasează în sus de-a lungul sârmei, iar cel mai rece se deplasează în jos de-a lungul pereților. În partea de sus, izotopii ușori se acumulează și evadează, iar în partea de jos, izotopii grei evadează.
• Centrifugarea gazului. Amestecul de izotopi este rulat într-o centrifugă, care este un cilindru cu pereți subțiri care se rotește la viteză mare. Izotopii mai grei sunt centrifugați împotriva pereților centrifugei. Datorită mișcării aburului, aceștia sunt purtați în jos, în timp ce izotopii mai ușori sunt purtați în sus din partea centrală a aparatului.
• Metoda chimică. Reacția chimică are loc în 2 reactanți în stări de fază diferite, permițând separarea fluxurilor izotopice. Există variante ale acestei tehnologii, în care ionizarea anumitor izotopi se realizează cu ajutorul unui laser, urmată de separarea lor printr-un câmp magnetic.
• Electroliza sărurilor de clorură. Această metodă este utilizată pentru izotopii de litiu numai în laborator.

Aplicații

Practic, toate aplicațiile litiului implică izotopii săi. O varietate de element cu un număr de masă 6 este utilizată în următoarele scopuri:

• ca sursă de tritiu (combustibil nuclear în reactoare);
• Pentru sinteza industrială a izotopilor de tritiu;
• pentru fabricarea armelor de fuziune.

Izotopul ⁷Li este utilizat în următoarele aplicații:

• pentru producția de baterii reîncărcabile;
• în medicină - pentru producție de antidepresive și tranchilizante;
• în reactoare: ca agent de răcire, pentru menținerea modurilor de funcționare a reactoarelor cu apă de putere ale centralelor nucleare și pentru purificarea agentului de răcire în demineralizatoarele din circuitul primar al reactoarelor nucleare.

Sfera de aplicare a izotopilor de litiu este din ce în ce mai largă. În acest context, una dintre problemele industriale stringente este obținerea unei substanțe de mare puritate, inclusiv a produselor monoizotopice.

Tot în 2011 au fost lansate și bateriile cu tritiu, care sunt produse prin iradierea litiului cu izotopi de litiu. Acestea sunt utilizate în aplicații care necesită curenți mici și o durată de viață lungă (stimulatoare cardiace și alte implanturi, senzori de foraje și alte echipamente). Timpul de înjumătățire al tritiului și, prin urmare, al durata de viață baterie, are o vechime de 12 ani.