Lithiumisotoper er meget udbredt, ikke kun i atomindustrien, men også i produktionen af genopladelige batterier. Der findes flere typer af dem, hvoraf to findes i naturen. Kernereaktioner med isotoper ledsages af frigivelse af store mængder stråling, hvilket er en lovende retning i energiindustrien.
Definition
Isotoper af lithium er varianter af atomer af et givet kemisk grundstof. De adskiller sig fra hinanden i antallet af neutr alt ladede elementarpartikler (neutroner). Moderne videnskab kender 9 sådanne isotoper, hvoraf syv er kunstige, med atommasser fra 4 til 12.
Af disse er den mest stabile 8Li. Dens halveringstid er 0,8403 sekunder. 2 typer nukleare isomere nuklider (atomkerner, der ikke kun adskiller sig i antallet af neutroner, men også protoner) er også blevet identificeret - 10m1Li og 10m2 Li. De er forskellige i strukturen af atomer i rummet og i egenskaber.
At være i naturen
Under naturlige forhold er der kun 2 stabile isotoper - med en masse på 6 og 7 enheder a. spise(6Li, 7Li). Den mest almindelige af disse er den anden isotop af lithium. Lithium i Mendeleevs periodiske system har serienummer 3, og dets hovedmassenummer er 7 a.u. e. m. Dette grundstof er ret sjældent i jordskorpen. Dets udvinding og behandling er dyrt.
Det vigtigste råmateriale til at opnå metallisk lithium er dets carbonat (eller lithiumcarbonat), som omdannes til chlorid og derefter elektrolyseres i en blanding med KCl eller BaCl. Carbonat isoleres fra naturlige materialer (lepidolite, spodumenpyroxen) ved sintring med CaO eller CaCO3.
I prøver kan forholdet mellem lithiumisotoper variere meget. Dette sker som et resultat af naturlig eller kunstig fraktionering. Dette faktum tages i betragtning, når der udføres nøjagtige laboratorieforsøg.
Funktioner
Lithiumisotoper 6Li og 7Li adskiller sig i nukleare egenskaber: sandsynligheden for interaktion mellem elementarpartikler i atomkernen og reaktion Produkter. Derfor er deres omfang også anderledes.
Når lithiumisotopen 6Li bombarderes med langsomme neutroner, produceres supertung brint (tritium). I dette tilfælde sp altes alfapartikler og helium dannes. Partikler udstødes i modsatte retninger. Denne nukleare reaktion er vist i figuren nedenfor.
Denne egenskab ved isotopen bruges som et alternativ til at erstatte tritium i fusionsreaktorer og bomber, da tritium er karakteriseret ved en mindrestabilitet.
Lithiumisotop 7Li i flydende form har en høj specifik varme og lavt nuklear effektivt tværsnit. I en legering med natrium-, cæsium- og berylliumfluorid bruges det som kølemiddel samt opløsningsmiddel for U- og Th-fluorider i væske-s alt-atomreaktorer.
Kernelayout
Det mest almindelige arrangement af lithiumatomer i naturen omfatter 3 protoner og 4 neutroner. Resten har 3 sådanne partikler. Layoutet af lithiumisotopers kerner er vist i figuren nedenfor (henholdsvis a og b).
For at danne kernen af et Li-atom ud fra kernen af et heliumatom, er det nødvendigt og tilstrækkeligt at tilføje 1 proton og 1 neutron. Disse partikler forbinder deres magnetiske kræfter. Neutroner har et komplekst magnetfelt, som består af 4 poler, så i figuren for den første isotop har den gennemsnitlige neutron tre optagede kontakter og en potentielt fri.
Den mindste bindingsenergi af lithiumisotopen 7Li, der kræves for at opdele grundstoffets kerne i nukleoner, er 37,9 MeV. Det bestemmes af nedenstående beregningsmetode.
I disse formler har variabler og konstanter følgende betydning:
- n – antal neutroner;
- m – neutronmasse;
- p – antal protoner;
- dM er forskellen mellem massen af partiklerne, der udgør kernen og massen af kernen i lithiumisotopen;
- 931 meV er energien svarende til 1 a.u. e.m.
Nukleartransformationer
Isotoper af dette grundstof kan have op til 5 ekstra neutroner i kernen. Levetiden for denne slags lithium overstiger dog ikke et par millisekunder. Når en proton fanges, bliver isotopen 6Li til 7Be, som derefter henfalder til en alfapartikel og en heliumisotop 3 Han. Når de bliver bombarderet af deuteroner, dukker 8Be op igen. Når en deuteron fanges af kernen 7Li, opnås kernen 9Be, som straks henfalder til 2 alfapartikler og en neutron.
Som eksperimenter viser, når man bombarderer lithiumisotoper, kan en lang række nukleare reaktioner observeres. Dette frigiver en betydelig mængde energi.
Modtag
Lithiumisotopseparation kan udføres på flere måder. De mest almindelige er:
- Separation i dampflow. For at gøre dette anbringes en membran i en cylindrisk beholder langs dens akse. Den gasformige blanding af isotoper tilføres til hjælpedampen. Nogle af molekylerne beriget i lysisotopen akkumuleres på venstre side af apparatet. Dette skyldes det faktum, at lette molekyler har en høj diffusionshastighed gennem mellemgulvet. De udledes sammen med dampstrømmen fra den øverste dyse.
- Termodiffusionsproces. I denne teknologi, som i den foregående, bruges egenskaben af forskellige hastigheder til at bevæge molekyler. Adskillelsesprocessen foregår i søjler, hvis vægge er afkølet. Inde i dem strækkes en rødglødende ledning i midten. Som følge af naturlig konvektion opstår 2 strømninger - den varme bevæger sig medledninger op, og koldt - langs væggene ned. Lette isotoper akkumuleres og fjernes i den øvre del, og tunge isotoper i den nederste del.
- Gascentrifugering. En blanding af isotoper køres i en centrifuge, som er en tyndvægget cylinder, der roterer med høj hastighed. Tungere isotoper kastes af centrifugalkraft mod centrifugens vægge. På grund af dampens bevægelse føres de ned, og lette isotoper fra den centrale del af enheden - op.
- Kemisk metode. Den kemiske reaktion forløber i 2 reagenser, der er i forskellige fasetilstande, hvilket gør det muligt at adskille isotopstrømmene. Der findes varianter af denne teknologi, når visse isotoper ioniseres af en laser og derefter adskilles af et magnetfelt.
- Elektrolyse af chlorids alte. Denne metode bruges kun til lithiumisotoper under laboratorieforhold.
Application
Praktisk t alt alle anvendelser af lithium er forbundet præcist med dets isotoper. En variation af grundstoffet med et massetal på 6 bruges til følgende formål:
- som en kilde til tritium (atombrændsel i reaktorer);
- til industriel syntese af tritiumisotoper;
- til fremstilling af termonukleare våben.
Isotope 7Li bruges i følgende felter:
- til produktion af genopladelige batterier;
- i medicin - til fremstilling af antidepressiva og beroligende midler;
- i reaktorer: som kølemiddel for at opretholde vandets driftsbetingelserkraftreaktorer i atomkraftværker til at rense kølevæsken i demineralisatorerne i det primære kredsløb af atomreaktorer.
Omfanget af lithiumisotoper bliver bredere. I denne henseende er et af industriens presserende problemer at opnå et stof med høj renhed, herunder mono-isotopiske produkter.
I 2011 blev der også lanceret produktionen af tritiumbatterier, som opnås ved at bestråle lithium med lithiumisotoper. De bruges, hvor der kræves lave strømme og lang levetid (pacemakere og andre implantater, sensorer i borehullet og andet udstyr). Halveringstiden for tritium og dermed batteriets levetid er 12 år.
