Izotop lítia: definícia a aplikácia

Izotopy lítia sa široko používajú nielen v jadrovom priemysle, ale aj pri výrobe nabíjateľných batérií. Existuje ich niekoľko druhov, dva z nich sa nachádzajú v prírode. Jadrové reakcie s izotopmi sú sprevádzané uvoľňovaním veľkého množstva žiarenia, čo je sľubný smer v energetickom priemysle.

Definícia

Izotopy lítia sú odrody atómov daného chemického prvku. Líšia sa počtom neutrálne nabitých elementárnych častíc (neutrónov). Moderná veda pozná 9 takýchto izotopov, z ktorých sedem je umelých, s atómovou hmotnosťou od 4 do 12.

Z nich je najstabilnejšia ⁸Li. Jeho polčas je 0.8403 sekúnd. 2 typy jadrových izomérnych nuklidov (atómové jadrá, ktoré sa líšia nielen počtom neutrónov, ale aj protónov) – 10M1 majú tiež ^{bol identifikovaný}Li a ^10m2Li. Líšia sa štruktúrou atómov v priestore a ich vlastnosťami.

Byť v prírode

V prírodných podmienkach existujú iba 2 stabilné izotopy-s hmotnosťou 6 a 7 jednotiek a. e. m (⁶Li, ⁷Li). Najčastejšie otázky z nich je druhým izotopom lítium. Lítium v periodickej tabuľke má poradové číslo 3 a jeho hlavné hmotnostné číslo je 7 a. e. m. . Tento prvok je v zemskej kôre pomerne zriedkavý. Jeho ťažba a spracovanie sú drahé.

Hlavnou surovinou na výrobu lítneho kovu je jeho uhličitan (alebo uhličitan lítny), ktorý sa premieňa na chlorid, a potom sa jeho elektrolýza uskutočňuje v zmesi s KCl alebo BaCl. Uhličitan sa izoluje z prírodných materiálov (lepidolit, pyroxén spodumén) pri spekaní CaO alebo CaCO₃.

Vo vzorkách sa pomer izotopov lítia môže veľmi líšiť. K tomu dochádza v dôsledku prirodzenej alebo umelej frakcionácie. Táto skutočnosť sa berie do úvahy pri vykonávaní presných laboratórnych experimentov.

Špecifikácia

Izotopy lítia ⁶Li a ⁷Li sa líšia v jadrových vlastnostiach: pravdepodobnosť interakcie elementárnych častíc atómového jadra a reakčných produktov. Rozsah ich uplatňovania je preto tiež odlišný.

Počas bombardovania izotopu lítia ⁶Li pomalé neutróny produkujú superťažký vodík (trícium). Súčasne sa častice alfa odštiepia a vytvorí sa hélium. Častice sa vysúvajú v opačných smeroch. Táto jadrová reakcia je znázornená na obrázku nižšie.

Táto vlastnosť izotopu sa používa ako alternatíva na nahradenie trícia v termonukleárnych reaktoroch a bombách, pretože trícium sa vyznačuje menšou stabilitou.

Izotop lítia ⁷Li v kvapalnej forme má veľkú špecifickú tepelnú kapacitu a nízky jadrový efektívny prierez. V zliatine s fluoridom sodným, céziom a berýliom sa používa ako chladivo, ako aj rozpúšťadlo U A TH fluoridov v jadrových reaktoroch s kvapalnou soľou.

Rozloženie jadra

Najbežnejšie usporiadanie jadier atómov lítia v prírode zahŕňa 3 protóny a 4 neutróny. Zvyšok má 3 takéto častice. Usporiadanie jadier izotopov lítia je znázornené na obrázku nižšie(a A b).

Aby jadro atómu hélia vytvorilo jadro atómu Li, , je to potrebné a dostatočné ak chcete pridať 1 protón a 1 neutrón. Tieto častice sú spojené svojimi magnetickými silami. 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, vyžaduje sa pre rozdelenie jadra prvku na nukleóny je 37,9 MeV. , Je určená metódou výpočtu uvedenou nižšie.

V týchto vzorcoch majú premenné a konštanty nasledujúci význam:

• n je počet neutrónov;
• m je hmotnosť neutrónu;
• p je počet protónov;
• dM je rozdiel medzi hmotnosťou častíc, ktoré tvoria jadro, a hmotnosťou jadra izotopu lítia;
• 931 MeV je energia zodpovedajúca 1 a. e. m.

Jadrové transformácie

Izotopy tohto prvku môžu mať v jadre až 5 ďalších neutrónov. Životnosť takejto odrody lítia však nepresahuje niekoľko milisekúnd. Keď je zachytený protón, izotop ⁶Li sa zmení na ⁷Be, ktorý sa potom rozpadne na alfa časticu a izotop hélia ³On. Pri bombardovaní deuterónmi ^{, 8}Be sa objaví znova. Keď je deuterón zachytený jadrom ⁷Li sa ukáže jadro ⁹Be, ktorý sa okamžite rozpadne na 2 alfa častice a neutrón.

Experimenty ukazujú, že počas bombardovania izotopov lítia možno pozorovať širokú škálu jadrových reakcií. Súčasne sa uvoľňuje značné množstvo energie.

Prijímajúci

Separácia izotopov lítia sa môže uskutočniť von niekoľkými spôsobmi. Najbežnejšie z nich sú:

• Oddelenie v prúde pary. Za týmto účelom je membrána umiestnená vo valcovej nádobe pozdĺž svojej osi. Plynná zmes izotopov sa privádza smerom k pomocnej pare. V ľavej časti zariadenia sa hromadí časť molekúl obohatených o ľahký izotop. Je to spôsobené tým, že molekuly svetla majú tendenciu mať vysokú rýchlosť difúzie cez membránu. Odstraňujú sa spolu s prúdom pary z horného odbočného potrubia.
• Proces termodifúzie. V tejto technológii, rovnako ako v predchádzajúcej, sa uplatňuje vlastnosť rôznych rýchlostí pre pohybujúce sa molekuly. Proces separácie prebieha v stĺpoch, kde sú steny chladené. V ich vnútri je pozdĺž stredu natiahnutý rozžeravený drôt. V dôsledku prirodzenej konvekcie sú 2 toky-teplý sa pohybuje hore pozdĺž drôtu a studený sa pohybuje dole pozdĺž stien. V hornej časti sa hromadia a odstraňujú ľahké izotopy a v spodnej časti ťažké izotopy.
• Centrifugácia plynu. Zmes izotopov je poháňaná v odstredivke, čo je tenkostenný valec rotujúci vysokou rýchlosťou. Ťažšie izotopy sú vrhané odstredivou silou na steny odstredivky. V dôsledku pohybu pary sa prenášajú nadol a ľahké izotopy zo strednej časti prístroja sa prenášajú nahor.
• Chemická metóda. Chemická reakcia prebieha v 2 reagenciách v rôznych fázových stavoch, čo umožňuje oddelenie izotopových tokov. Existujú odrody 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

Takmer všetky aplikácie lítia sú spojené s jeho izotopmi. Typ prvku s hmotnostným číslom 6 sa používa na tieto účely:

• ako zdroj trícia (jadrové palivo v reaktoroch);
• na priemyselnú syntézu izotopov trícia;
• na výrobu termonukleárnych zbraní.

Izotop ⁷Li sa používa v nasledujúcich oblastiach:

• na výrobu nabíjateľných batérií.;
• v medicíne – pre výrobu antidepresív a trankvilizérov;
• v reaktoroch: ako chladivo na udržanie prevádzkových podmienok vodných reaktorov jadrových elektrární na čistenie chladiacej kvapaliny v demineralizátoroch prvého okruhu jadrových reaktorov.

Rozsah použitia izotopov lítia sa rozširuje. V tomto ohľade je jedným z naliehavých problémov priemyslu výroba vysoko čistých látok vrátane mono-izotopových produktov.

V roku 2011 sa začala aj výroba tríciových batérií, ktoré sú ožiarené lítiovými izotopmi lítia. Používajú sa tam, kde sú potrebné nízke prúdy a dlhá životnosť (kardiostimulátory a iné implantáty, snímače vrtov a ďalšie vybavenie). Polčas rozpadu trícia, a teda životnosť batérie je 12 rokov.