Изотопы лития

Изото́пы лития — разновидности атомов (и ядер) химического элемента лития, имеющие разное содержание нейтронов в ядре. На данный момент известны 9 изотопов лития и ещё 2 возбуждённых изомерных состояний некоторых его нуклидов, ^10m1Li − ^10m2Li.

В природе встречаются два стабильных изотопа лития: ^6Li (7,5 %) и ^7Li (92,5 %).

Наиболее устойчивый искусственный изотоп, ^8Li, имеет период полураспада 0,8403 с.

Экзотический изотоп ^3Li (трипротон), по-видимому, не существует как связанная система.

Происхождение

^7Li является одним из немногих изотопов, возникших при первичном нуклеосинтезе (то есть в период от 1 секунды до 3 минут после Большого Взрыва[1]) в количестве не более 10^−9 от всех элементов.[2][3] Некоторое количество изотопа ^6Li, как минимум в десять тысяч раз меньшее, чем ^7Li, также образовано в первичном нуклеосинтезе[1].

Примерно в десять раз больше ^7Li образовались в звёздном нуклеосинтезе. Литий является промежуточным продуктом реакции ppII, но при высоких температурах активно преобразуется в гелий[4][5].

Наблюдаемые соотношения ^7Li и ^6Li не сходятся с предсказанием стандартной модели первичного нуклеосинтеза (standard BBN). Данное расхождение известно как «primordial lithium problem».[1][6]

Разделение

Литий-6 имеет большее сродство с ртутью, чем литий-7. На этом основан процесс обогащения COLEX[7]. Альтернативный процесс — вакуумная дистилляция, происходящая при температурах около 550 °C.

Обычно разделение изотопов лития требовалось для военных ядерных программ (СССР, США, Китая). В настоящее время функционирующими мощностями по разделению обладают лишь Россия и Китай[7].

Так, в США в 1954 году (по другим данным, в 1955 году) на военном заводе Y-12 был построен цех для разделения изотопов лития. Обогащённый по изотопу ^6Li направлялся для производства термоядерного оружия, а обогащённый по ^7Li — на нужды гражданской атомной программы США[8].

Применение

Изотопы ^6Li и ^7Li обладают разными ядерными свойствами (сечение поглощения тепловых нейтронов, продукты реакций) и сфера их применения различна. Гафниат лития входит в состав специальной эмали, предназначенной для захоронения высокоактивных ядерных отходов, содержащих плутоний.

Литий-6

Применяется в термоядерной энергетике.

При облучении нуклида ^6Li тепловыми нейтронами получается радиоактивный тритий ^3H:

${\displaystyle {}_{3}^{6}{\textrm {Li}}+{}_{0}^{1}{\textrm {n}}\rightarrow {}_{1}^{3}{\textrm {H}}+{}_{2}^{4}{\textrm {He}}}$

Благодаря этому литий-6 может применяться как замена радиоактивного, нестабильного и неудобного в обращении трития как в военных (термоядерное оружие), так и в мирных (управляемый термоядерный синтез) целях. В термоядерном оружии обычно применяется дейтерид лития-6 ^6LiD.

Перспективно также использование лития-6 для получения гелия-3 (через тритий) с целью дальнейшего использования в дейтерий-гелиевых термоядерных реакторах.

Литий-7

Применяется в ядерных реакторах[9]. Благодаря очень высокой удельной теплоёмкости и низкому сечению захвата тепловых нейтронов (45 миллибарн[10]) жидкий литий-7 (часто в виде сплава с натрием или цезием) служит эффективным теплоносителем. Фторид лития-7 в сплаве с фторидом бериллия (66 % LiF + 34 % BeF₂) носит название «флайб» (FLiBe) и применяется как высокоэффективный теплоноситель и растворитель фторидов урана и тория в высокотемпературных жидкосолевых реакторах, и для производства трития.

Соединения лития, обогащённые по изотопу лития-7, применяются на реакторах PWR для поддержания водно-химического режима, а также в деминерализаторе первого контура. Ежегодная потребность США оценивается в 200—300 кг, производством обладают лишь Россия и Китай[7].

Таблица изотопов лития

Символ нуклида	Z(p)	N(n)	Масса изотопа[11] (а. е. м.)	Период полураспада[12] (T1/2)	Канал распада	Продукт распада	Спин и чётность ядра[12]	Распространённость изотопа в природе	Диапазон изменения изотопной распространённости в природе
	Энергия возбуждения
^3Li[n 1]	3	0	3,03078(215)#		p	^2He	3/2−#
^4Li	3	1	4,02719(23)	9,1(9)⋅10^-23 с [5,06(52) МэВ]	p	^3He	2−
^5Li	3	2	5,012540(50)	3,7(3)⋅10^-22 с [1,24(10) МэВ]	p	^4He	3/2−
^6Li	3	3	6,0151228874(15)	стабилен			1+	[0,019, 0,078][13]
^6mLi	3562,88(10) кэВ			5,6(14)⋅10^-17 с	ИП	^6Li	0+
^7Li	3	4	7,016003434(4)	стабилен			3/2−	[0,922, 0,981][13]
^8Li	3	5	8,02248624(5)	838,7(3) мс	β^−	^8Be[n 2]	2+
^9Li	3	6	9,02679019(20)	178,2(4) мс	β^−, n (50,5(1,0)%)	^8Be[n 3]	3/2−
					β^− (49,5(1,0)%)	^9Be
^10Li	3	7	10,035483(14)	2,0(5)⋅10^-21 с [0,2(1,2) МэВ]	n	^9Li	(1−, 2−)
^10m1Li	200(40) кэВ			3,7(1,5)⋅10^-21 с	ИП	^10Li	1+
^10m2Li	480(40) кэВ			1,35⋅10^-21 с [0,350(70) МэВ]	ИП	^10Li	2+
^11Li	3	8	11,0437236(7)	8,75(6) мс	β^−, n (86,3(9)%)	^10Be	3/2−
					β^− (6,0(1,0)%)	^11Be
					β^−, 2n (4,1(4)%)	^9Be
					β^−, 3n (1,9(2)%)	^8Be[n 4]
					β^−, α (1,7(3)%)	^7He
					β^−, деление (0,0130(13)%)	^9Li, ^2H
					β^−, деление (0,0093(8)%)	^8Li, ^3H
^12Li	3	9	12,052610(30)		n	^11Li	(1−,2−)
^13Li	3	10	13,061170(80)	3,3⋅10^-21 с [0,2(9,2) МэВ]	2n	^11Li	3/2−#

1. Открытие этого изотопа не подтверждено
2. Немедленно распадается на две α-частицы для реакции ^8Li → 2^4He + e^−
3. Немедленно распадается на две α-частицы для реакции ^9Li → 2^4He + ^1n + e^−
4. Немедленно распадается на две α-частицы для реакции ^11Li → 2^4He + 3^1n + e^−

Пояснения к таблице

• Распространённость изотопов приведена для большинства природных образцов. Для других источников значения могут сильно отличаться.

• Индексами 'm', 'n', 'p' (рядом с символом) обозначены возбужденные изомерные состояния нуклида.

• Символами, выделенными жирным шрифтом, обозначены стабильные продукты распада. Символами, выделенными жирным курсивом, обозначены радиоактивные продукты распада, имеющие периоды полураспада, сравнимые с возрастом Земли или превосходящие его и вследствие этого присутствующие в природной смеси.

• Значения, помеченные решёткой (#), получены не из одних лишь экспериментальных данных, а (хотя бы частично) оценены из систематических трендов у соседних нуклидов (с такими же соотношениями Z и N). Неуверенно определённые значения спина и/или чётности заключены в скобки.

• Погрешность приводится в виде числа в скобках, выраженного в единицах последней значащей цифры, означает одно стандартное отклонение (за исключением распространённости и стандартной атомной массы изотопа по данным ИЮПАК, для которых используется более сложное определение погрешности). Примеры: 29770,6(5) означает 29770,6 ± 0,5; 21,48(15) означает 21,48 ± 0,15; −2200,2(18) означает −2200,2 ± 1,8.

Примечания

1. BD Fields, The Primordial Lithium Problem Архивная копия от 19 октября 2016 на Wayback Machine, Annual Reviews of Nuclear and Particle Science 2011
2. Постнов К.А. Лекции по общей астрофизике для физиков  (неопр.). Дата обращения: 30 ноября 2013. Архивировано 3 февраля 2013 года.; см Рис. 11.1
3. Источник  (неопр.). Дата обращения: 30 ноября 2013. Архивировано из оригинала 13 ноября 2013 года.
4. Lecture 27: Stellar Nucleosynthesis Архивная копия от 28 мая 2015 на Wayback Machine // Университет Toledo — «The Destruction of Lithium in Young Convective Stars» slide 28
5. Greg Ruchti, Lithium in the Cosmos Архивная копия от 4 марта 2016 на Wayback Machine — «Lithium is Fragile» slide 10
6. Karsten JEDAMZIK, Big Bang Nucleosynthesis and the Cosmic Lithium Problem Архивная копия от 3 декабря 2013 на Wayback Machine
7. "PWR - литиевая угроза". ATOMINFO.RU. 23 октября 2013. Архивировано 20 июля 2015. Дата обращения: 29 декабря 2013.
8. Военный литий США  (неопр.). Дата обращения: 1 ноября 2022. Архивировано 1 ноября 2022 года.
9. Managing Critical Isotopes: Stewardship of Lithium-7 Is Needed to Ensure a Stable Supply, GAO-13-716 Архивная копия от 20 января 2017 на Wayback Machine // U.S. Government Accountability Office, 19 September 2013; pdf Архивная копия от 14 октября 2017 на Wayback Machine
10. Atlas of Neutron Resonances  (неопр.). Дата обращения: 14 января 2024. Архивировано 7 мая 2021 года.
11. Данные приведены по Huang W. J., Meng Wang, Kondev F. G., Audi G., Naimi S. The Ame2020 atomic mass evaluation (I). Evaluation of input data, and adjustment procedures (англ.) // Chinese Physics C. — 2021. — Vol. 43, iss. 3. — P. 030002-1—030002-342. — doi:10.1088/1674-1137/abddb0.
12. Данные приведены по Kondev F. G., Wang M., Huang W. J., Naimi S., Audi G. The Nubase2020 evaluation of nuclear properties (англ.) // Chinese Physics C. — 2021. — Vol. 45, iss. 3. — P. 030001-1—030001-180. — doi:10.1088/1674-1137/abddae.
13. Atomic Weight of Lithium | Commission on Isotopic Abundances and Atomic Weights  (неопр.). ciaaw.org. Дата обращения: 21 октября 2021. Архивировано 19 сентября 2021 года.