איזוטופים של ליתיום נמצאים בשימוש נרחב לא רק בתעשייה הגרעינית, אלא גם בייצור סוללות נטענות. ישנם מספר סוגים שלהם, שניים מהם נמצאים בטבע. תגובות גרעיניות עם איזוטופים מלוות בשחרור כמויות גדולות של קרינה, שהיא כיוון מבטיח בתעשיית האנרגיה.
הגדרה
איזוטופים של ליתיום הם זנים של אטומים של יסוד כימי נתון. הם נבדלים זה מזה במספר החלקיקים היסודיים הטעונים באופן ניטרלי (נייטרונים). המדע המודרני מכיר 9 איזוטופים כאלה, שבעה מהם מלאכותיים, עם מסה אטומית בין 4 ל-12.
מבין אלה, היציב ביותר הוא 8Li. זמן מחצית החיים שלו הוא 0.8403 שניות. זוהו גם 2 סוגים של נוקלידים איזומריים גרעיניים (גרעיני אטום הנבדלים זה מזה לא רק במספר הנייטרונים, אלא גם בפרוטונים) - 10m1Li ו-10m2 לי. הם שונים במבנה האטומים במרחב ובתכונות.
להיות בטבע
בתנאים טבעיים, יש רק 2 איזוטופים יציבים - עם מסה של 6 ו-7 יחידות a. לאכול(6Li, 7Li). הנפוץ שבהם הוא האיזוטופ השני של ליתיום. לליתיום במערכת המחזורית של מנדלייב יש מספר סידורי 3, ומספר המסה העיקרי שלו הוא 7 a.u. e.m. יסוד זה נדיר למדי בקרום כדור הארץ. החילוץ והעיבוד שלו יקרים.
חומר הגלם העיקרי להשגת ליתיום מתכתי הוא הקרבונט שלו (או ליתיום קרבונט), אשר הופך לכלוריד, ולאחר מכן עובר אלקטרוליזה בתערובת עם KCl או BaCl. קרבונט מבודד מחומרים טבעיים (לפידוליט, ספודומן פירוקסן) על ידי סינטרה עם CaO או CaCO3.
בדגימות, היחס בין איזוטופי ליתיום יכול להשתנות מאוד. זה מתרחש כתוצאה מפיצול טבעי או מלאכותי. עובדה זו נלקחת בחשבון בעת ביצוע ניסויי מעבדה מדויקים.
תכונות
איזוטופים של ליתיום 6Li ו-7Li נבדלים זה מזה בתכונות גרעיניות: ההסתברות לאינטראקציה של חלקיקים אלמנטריים של גרעין האטום ותגובה מוצרים. לכן, גם ההיקף שלהם שונה.
כאשר איזוטופ הליתיום 6Li מופגז בניוטרונים איטיים, נוצר מימן סופר-כבד (טריטיום). במקרה זה, חלקיקי אלפא מתפצלים ונוצר הליום. חלקיקים נפלטים לכיוונים מנוגדים. תגובה גרעינית זו מוצגת באיור למטה.
תכונה זו של האיזוטופ משמשת כחלופה להחלפת טריטיום בכורי היתוך ובפצצות, שכן טריטיום מאופיין ב-Tritium קטן יותריציבות.
איזוטופ ליתיום 7Li בצורה נוזלית בעל חום סגולי גבוה וחתך אפקטיבי גרעיני נמוך. בסגסוגת עם נתרן, צסיום ובריליום פלואוריד, הוא משמש כנוזל קירור, כמו גם כממס לפלואורידים U ו-Th בכורים גרעיניים-מלח נוזלי.
פריסת ליבה
הסידור הנפוץ ביותר של אטומי ליתיום בטבע כולל 3 פרוטונים ו-4 נויטרונים. לשאר יש 3 חלקיקים כאלה. פריסת הגרעינים של איזוטופים ליתיום מוצגת באיור שלהלן (a ו-b, בהתאמה).
כדי ליצור גרעין של אטום Li מגרעין של אטום הליום, יש צורך ומספיק להוסיף 1 פרוטון ו-1 נויטרון. חלקיקים אלה מחברים את הכוחות המגנטיים שלהם. לנייטרונים יש שדה מגנטי מורכב, המורכב מ-4 קטבים, ולכן באיור של האיזוטופ הראשון, לנייטרון הממוצע יש שלושה מגעים תפוסים ואחד פנוי בפוטנציה.
אנרגיית הקישור המינימלית של איזוטופ הליתיום 7Li הנדרשת כדי לפצל את גרעין היסוד לגרעין היא 37.9 MeV. זה נקבע לפי שיטת החישוב המפורטת להלן.
בנוסחאות אלה, למשתנים וקבועים יש את המשמעות הבאה:
- n – מספר נויטרונים;
- m – מסת נויטרונים;
- p – מספר פרוטונים;
- dM הוא ההבדל בין מסת החלקיקים המרכיבים את הגרעין לבין מסת הגרעין של איזוטופ הליתיום;
- 931 meV היא האנרגיה התואמת ל-1 a.u. e.m.
גרעיניטרנספורמציות
איזוטופים של יסוד זה יכולים להכיל עד 5 נויטרונים נוספים בגרעין. עם זאת, משך החיים של ליתיום מסוג זה אינו עולה על מספר אלפיות שניות. כאשר פרוטון נלכד, האיזוטופ 6Li הופך ל-7Be, שלאחר מכן מתפרק לחלקיק אלפא ואיזוטופ הליום 3 הוא. כאשר מופגז על ידי דוטרונים, 8Be מופיע שוב. כאשר דויטר נתפס על ידי הגרעין 7Li, מתקבל הגרעין 9Be, שמתפרק מיד ל-2 חלקיקי אלפא ונייטרון.
כפי שניסויים מראים, כאשר מפציצים איזוטופים של ליתיום, ניתן להבחין במגוון רחב של תגובות גרעיניות. זה משחרר כמות משמעותית של אנרגיה.
קבל
ניתן לבצע הפרדת איזוטופי ליתיום בכמה דרכים. הנפוצים ביותר הם:
- הפרדה בזרימת קיטור. לשם כך, דיאפרגמה ממוקמת בכלי גלילי לאורך הציר שלה. התערובת הגזית של איזוטופים מוזנת לעבר קיטור העזר. חלק מהמולקולות המועשרות באיזוטופ האור מצטברות בצד שמאל של המנגנון. זאת בשל העובדה שלמולקולות האור יש קצב דיפוזיה גבוה דרך הסרעפת. הם נפלטים יחד עם זרימת הקיטור מהזרבובית העליונה.
- תהליך תרמודיפוזיה. בטכנולוגיה זו, כמו בקודמתה, נעשה שימוש בתכונה של מהירויות שונות להזזת מולקולות. תהליך ההפרדה מתרחש בעמודים שקירותיהם מקוררים. בתוכם נמתח במרכזם חוט לוהט. כתוצאה מהסעה טבעית נוצרות 2 זרימות - החמה נעהחוטים למעלה, וקור - לאורך הקירות למטה. איזוטופים קלים מצטברים ומוסרים בחלק העליון, ואיזוטופים כבדים בחלק התחתון.
- צנטריפוגת גז. תערובת של איזוטופים מופעלת בצנטריפוגה, שהיא גליל דק דופן המסתובב במהירות גבוהה. איזוטופים כבדים יותר נזרקים על ידי כוח צנטריפוגלי על דפנות הצנטריפוגה. עקב תנועת הקיטור הם נישאים למטה, ואיזוטופים קלים מהחלק המרכזי של המכשיר - למעלה.
- שיטה כימית. התגובה הכימית מתרחשת ב-2 ריאגנטים שנמצאים במצבי פאזה שונים, מה שמאפשר להפריד בין זרמי האיזוטופים. ישנם סוגים של טכנולוגיה זו, כאשר איזוטופים מסוימים מיוננים על ידי לייזר ואז מופרדים על ידי שדה מגנטי.
- אלקטרוליזה של מלחי כלוריד. שיטה זו משמשת לאיזוטופים של ליתיום רק בתנאי מעבדה.
Application
כמעט כל היישומים של ליתיום קשורים בדיוק לאיזוטופים שלו. וריאציה של היסוד עם מספר מסה של 6 משמשת למטרות הבאות:
- כמקור לטריטיום (דלק גרעיני בכורים);
- לסינתזה תעשייתית של איזוטופים טריטיום;
- ליצור נשק תרמו-גרעיני.
Isotope 7Li נמצא בשימוש בשדות הבאים:
- ליצור סוללות נטענות;
- ברפואה - לייצור תרופות נוגדות דיכאון ותרופות הרגעה;
- בכורים: בתור נוזל קירור, לשמירה על תנאי ההפעלה של מיםכורי כוח של תחנות כוח גרעיניות, לניקוי נוזל הקירור במסירי המינרליזציה של המעגל הראשי של כורים גרעיניים.
ההיקף של איזוטופי ליתיום הולך ונעשה רחב יותר. בהקשר זה, אחת הבעיות הדוחקות של התעשייה היא להשיג חומר בעל טוהר גבוה, כולל מוצרים מונו-איזוטופים.
ב-2011 הושק גם ייצור סוללות טריטיום, המתקבלות באמצעות הקרנת ליתיום עם איזוטופים של ליתיום. הם משמשים כאשר נדרשים זרמים נמוכים וחיי שירות ארוכים (קוצבי לב ושתלים אחרים, חיישנים למטה וציוד אחר). זמן מחצית החיים של טריטיום, ולכן חיי הסוללה, הוא 12 שנים.
