Izotopy lítia sú široko používané nielen v jadrovom priemysle, ale aj pri výrobe dobíjacích batérií. Je ich viacero druhov, z ktorých dva sa vyskytujú v prírode. Jadrové reakcie s izotopmi sú sprevádzané uvoľňovaním veľkého množstva žiarenia, čo je sľubný smer v energetickom priemysle.
Definícia
Izotopy lítia sú rôzne druhy atómov daného chemického prvku. Líšia sa od seba počtom neutrálne nabitých elementárnych častíc (neutrónov). Moderná veda pozná 9 takýchto izotopov, z ktorých sedem je umelých, s atómovými hmotnosťami od 4 do 12.
Z nich je najstabilnejšia 8Li. Jeho polčas rozpadu je 0,8403 sekundy. Identifikované boli aj 2 typy jadrových izomérnych nuklidov (atómové jadrá, ktoré sa líšia nielen počtom neutrónov, ale aj protónov) - 10m1Li a 10m2 Li. Líšia sa štruktúrou atómov v priestore a vlastnosťami.
Byť v prírode
V prírodných podmienkach existujú iba 2 stabilné izotopy – s hmotnosťou 6 a 7 jednotiek a. jesť(6Li, 7Li). Najbežnejším z nich je druhý izotop lítia. Lítium v Mendelejevovom periodickom systéme má poradové číslo 3 a jeho hlavné hmotnostné číslo je 7 a.u. e. m. Tento prvok je v zemskej kôre pomerne vzácny. Jeho ťažba a spracovanie sú nákladné.
Hlavnou surovinou na získanie kovového lítia je jeho uhličitan (alebo uhličitan lítny), ktorý sa premieňa na chlorid a následne sa elektrolyzuje v zmesi s KCl alebo BaCl. Uhličitan sa izoluje z prírodných materiálov (lepidolit, spodumen pyroxén) spekaním s CaO alebo CaCO3.
Vo vzorkách sa pomer izotopov lítia môže značne líšiť. K tomu dochádza v dôsledku prirodzenej alebo umelej frakcionácie. Táto skutočnosť sa berie do úvahy pri vykonávaní presných laboratórnych experimentov.
Funkcie
Izotopy lítia 6Li a 7Li sa líšia jadrovými vlastnosťami: pravdepodobnosť interakcie elementárnych častíc atómového jadra a reakcie Produkty. Preto je aj ich rozsah odlišný.
Keď je izotop lítia 6Li bombardovaný pomalými neutrónmi, vzniká superťažký vodík (trícium). V tomto prípade sa alfa častice odštiepia a vytvorí sa hélium. Častice sa vyhadzujú v opačných smeroch. Táto jadrová reakcia je znázornená na obrázku nižšie.
Táto vlastnosť izotopu sa používa ako alternatíva na nahradenie trícia vo fúznych reaktoroch a bombách, keďže trícium sa vyznačuje menšoustabilita.
Izotop lítia 7Li v kvapalnej forme má vysoké špecifické teplo a nízky jadrový účinný prierez. V zliatine s fluoridom sodným, céznym a berýliom sa používa ako chladivo, ako aj rozpúšťadlo pre fluoridy U a Th v jadrových reaktoroch s kvapalnou soľou.
Rozloženie jadra
Najbežnejšie usporiadanie atómov lítia v prírode zahŕňa 3 protóny a 4 neutróny. Zvyšok má 3 takéto častice. Rozloženie jadier izotopov lítia je znázornené na obrázku nižšie (a a b).
Na vytvorenie jadra atómu Li z jadra atómu hélia je potrebné a postačujúce pridať 1 protón a 1 neutrón. Tieto častice spájajú svoje magnetické sily. Neutróny majú zložité magnetické pole, ktoré pozostáva zo 4 pólov, takže na obrázku pre prvý izotop má priemerný neutrón tri obsadené kontakty a jeden potenciálne voľný.
Minimálna väzbová energia izotopu lítia 7Li potrebná na rozdelenie jadra prvku na nukleóny je 37,9 MeV. Určuje sa metódou výpočtu uvedenou nižšie.
V týchto vzorcoch majú premenné a konštanty nasledujúci význam:
- n – počet neutrónov;
- m – hmotnosť neutrónov;
- p – počet protónov;
- dM je rozdiel medzi hmotnosťou častíc, ktoré tvoria jadro, a hmotnosťou jadra izotopu lítia;
- 931 meV je energia zodpovedajúca 1 a.u. e.m.
Jadrovétransformácie
Izotopy tohto prvku môžu mať v jadre až 5 neutrónov navyše. Životnosť tohto druhu lítia však nepresahuje niekoľko milisekúnd. Keď sa zachytí protón, izotop 6Li sa zmení na 7Be, ktorý sa potom rozpadne na časticu alfa a izotop hélia 3 On. Pri bombardovaní deuterónmi sa znova objaví 8Be. Keď je deuterón zachytený jadrom 7Li, získa sa jadro 9Be, ktoré sa okamžite rozpadne na 2 častice alfa a neutrón.
Ako ukazujú experimenty, pri bombardovaní izotopmi lítia možno pozorovať širokú škálu jadrových reakcií. Tým sa uvoľní značné množstvo energie.
Prijať
Oddelenie izotopov lítia možno vykonať niekoľkými spôsobmi. Najbežnejšie sú:
- Oddelenie v prúde pary. Za týmto účelom je membrána umiestnená vo valcovej nádobe pozdĺž jej osi. Plynná zmes izotopov sa privádza do pomocnej pary. Niektoré z molekúl obohatených o izotop svetla sa hromadia na ľavej strane prístroja. Je to spôsobené tým, že molekuly svetla majú vysokú rýchlosť difúzie cez membránu. Sú vypúšťané spolu s prúdom pary z hornej trysky.
- Proces termodifúzie. V tejto technológii, rovnako ako v predchádzajúcej, sa využíva vlastnosť rôznych rýchlostí pohybu molekúl. Separačný proces prebieha v kolónach, ktorých steny sú chladené. V ich vnútri je v strede natiahnutý rozžeravený drôt. V dôsledku prirodzenej konvekcie vznikajú 2 toky - teplý sa pohybuje pozdĺždrôty hore a studené - pozdĺž stien dole. Ľahké izotopy sa hromadia a odstraňujú v hornej časti a ťažké izotopy v spodnej časti.
- Odstreďovanie plynu. Zmes izotopov prebieha v centrifúge, čo je tenkostenný valec rotujúci vysokou rýchlosťou. Ťažšie izotopy sú vrhané odstredivou silou na steny centrifúgy. V dôsledku pohybu pary sú unášané dole a svetelné izotopy zo strednej časti zariadenia - nahor.
- Chemická metóda. Chemická reakcia prebieha v 2 činidlách, ktoré sú v rôznych fázových stavoch, čo umožňuje oddeliť toky izotopov. Existujú rôzne druhy tejto technológie, keď sú určité izotopy ionizované laserom a potom oddelené magnetickým poľom.
- Elektrolýza chloridových solí. Táto metóda sa používa pre izotopy lítia iba v laboratórnych podmienkach.
Aplikácia
Prakticky všetky aplikácie lítia sú spojené presne s jeho izotopmi. Variácia prvku s hmotnostným číslom 6 sa používa na nasledujúce účely:
- ako zdroj trícia (jadrové palivo v reaktoroch);
- pre priemyselnú syntézu izotopov trícia;
- na výrobu termonukleárnych zbraní.
Izotop 7Li sa používa v nasledujúcich poliach:
- na výrobu nabíjateľných batérií;
- v medicíne – na výrobu antidepresív a trankvilizérov;
- v reaktoroch: ako chladivo na udržanie prevádzkových podmienok vodyenergetických reaktorov jadrových elektrární, na čistenie chladiva v demineralizátoroch primárneho okruhu jadrových reaktorov.
Rozsah izotopov lítia sa rozširuje. V tomto ohľade je jedným z naliehavých problémov priemyslu získať látku vysokej čistoty, vrátane monoizotopických produktov.
V roku 2011 bola spustená aj výroba tríciových batérií, ktoré sa získavajú ožarovaním lítia izotopmi lítia. Používajú sa tam, kde sa vyžadujú nízke prúdy a dlhá životnosť (kardiostimulátory a iné implantáty, downhole senzory a iné zariadenia). Polčas rozpadu trícia, a teda aj životnosť batérie, je 12 rokov.
