Lítium izotóp: meghatározás és alkalmazás

A lítium izotópokat széles körben használják nemcsak a nukleáris iparban, hanem az újratölthető elemek gyártásában is. Többféle típus létezik, ezek közül kettő megtalálható a természetben. Az izotópokkal végzett nukleáris reakciókat nagy mennyiségű sugárzás szabadul fel, ami ígéretes irány az energiaiparban.

Meghatározás

A lítium izotópok ennek a kémiai elemnek az atomjai. Ezek különböznek a semlegesen töltött elemi részecskék (neutronok)számában. A Modern tudomány 9 ilyen izotópot ismer, amelyek közül hét mesterséges, atomtömege 4-12.

Ezek közül a legstabilabb ⁸Li. Felezési ideje 0,8403 másodperc. 2 típusú nukleáris izomer nuklidot (atommagokat, amelyek nemcsak a neutronok számában, hanem a protonokban is különböznek) is azonosítottak – ^10m1Li és ^10m2Li. Ezek különböznek az atomok szerkezetében a térben és tulajdonságaikban.

A természetben lenni

Természetes körülmények között csak 2 stabil izotóp van-tömegük 6 és 7 egység a. e. m (⁶Li, ⁷Li). A leggyakoribb ezek közül a lítium második izotópja. A periódusos rendszer lítiumának 3-as sorszáma van, fő tömegszáma pedig 7 a. e. m. . Ez az elem meglehetősen ritka a földkéregben. Kitermelése és feldolgozása drága.

A lítiumfém előállításának fő nyersanyaga a karbonát (vagy lítium-karbonát), amelyet kloriddá alakítanak át, majd elektrolízisét KCl vagy BaCl keverékben végezzük. A karbonátot természetes anyagokból (lepidolit, piroxén spodumén) izolálják, amikor Cao-val vagy CaCO-val szinterezik₃.

A mintákban, a lítium izotópok aránya nagyban változhat. Ez természetes vagy mesterséges frakcionálás eredményeként következik be. Ezt a tényt figyelembe veszik a pontos laboratóriumi kísérletek során.

Előírások

Lítium izotópok ⁶Li és ⁷Li különbözik a nukleáris tulajdonságokban: az atommag és a reakciótermékek elemi részecskéinek kölcsönhatásának valószínűsége. Ezért alkalmazási körük is eltérő.

A lítium izotóp bombázása során ⁶A Li lassú neutronok szupernehéz hidrogént (tríciumot)termelnek. Ugyanakkor az alfa-részecskék szétválnak, és hélium képződik. A részecskék ellentétes irányban kerülnek ki. Ezt a nukleáris reakciót az alábbi ábra mutatja.

Az izotóp ezen tulajdonságát alternatívaként használják a trícium helyettesítésére termonukleáris reaktorokban és bombákban,mivel a trícium kevésbé stabil.

Lítium-izotóp ⁷Li folyékony formában nagy fajlagos hőkapacitással és alacsony nukleáris effektív keresztmetszettel rendelkezik. Nátrium -, cézium-és berillium-fluoridot tartalmazó ötvözetben hűtőfolyadékként, valamint folyékony só atomreaktorokban U és Th fluoridok oldószereként használják.

Kernel elrendezés

A lítium atommagok leggyakoribb elrendezése a természetben 3 protont és 4 neutronot tartalmaz. A többinek 3 ilyen részecskéje van. A lítium izotóp magok elrendezését az alábbi ábra mutatja (A, illetve b).

Annak érdekében, hogy a Li atom magja a hélium atom magjából alakuljon ki, szükséges és elégséges 1 proton és 1 neutron hozzáadása. Ezeket a részecskéket mágneses erőik kötik össze. A neutronok komplex mágneses mezővel rendelkeznek, amely 4 pólusból áll, tehát az első izotóp ábráján az átlagos neutronnak három elfoglalt érintkezője van, egy pedig potenciálisan szabad.

A lítium-izotóp minimális kötési energiája ⁷Li, szükséges egy elem magjának nukleonokra történő felosztása 37,9 MeV. , Az alábbiakban megadott számítási módszer határozza meg.

Ezekben a képletekben a változók és állandók jelentése a következő:

• n a neutronok száma;
• m a neutron tömege;
• p a protonok száma;
• a DM a magot alkotó részecskék tömegének különbsége a lítium-izotóp magjának tömegétől;
• 931 MeV-1 a-nak megfelelő energia. e. m.

Nukleáris átalakulások

Ennek az elemnek az izotópjai legfeljebb 5 extra neutront tartalmazhatnak a magban. Az ilyen típusú lítium élettartama azonban nem haladja meg a néhány milliszekundumot. Amikor egy protont elfognak, az izotóp ⁶Li válik ⁷Be, amely ezután alfa-részecskévé és hélium izotópjává bomlik ³Ő. Amikor deuteronokkal bombázzák ^{, 8}Be újra megjelenik. Amikor a deuteront a mag elfogja ⁷Li kiderül, hogy a mag ⁹Be, amely azonnal bomlik 2 alfa részecskére és egy neutronra.

A kísérletek azt mutatják, hogy a lítium izotópok bombázása során sokféle nukleáris reakció figyelhető meg. Ugyanakkor jelentős mennyiségű energia szabadul fel.

Átvétel

A lítium izotópok elválasztása elvégezhető ki több szempontból is. A leggyakoribbak a következők:

• Elválasztás a gőzáramban. Ehhez egy membránt egy hengeres edénybe helyeznek a tengelye mentén. Izotópok gáznemű keverékét táplálják a segédgőz felé. A készülék bal oldalán a könnyű izotóppal dúsított molekulák egy része felhalmozódik. Ennek oka az a tény, hogy a fénymolekulák általában nagy diffúziós sebességgel rendelkeznek a membránon keresztül. A felső elágazó csőből származó gőzárammal együtt eltávolítják őket.
• Termodiffúziós folyamat. Ebben a technológiában, mint az előzőben, a mozgó molekulák különböző sebességeinek tulajdonságát alkalmazzák. Az elválasztási folyamat oszlopokban zajlik, ahol a falakat lehűtik. Bennük egy vörösen forró huzal húzódik a központ mentén. A természetes konvekció eredményeként 2 áram keletkezik – meleg folyik fel a huzal mentén, hideg folyik le a falak mentén. A felső részen a könnyű izotópok felhalmozódnak és eltávolításra kerülnek, az alsó részen pedig a nehéz izotópok.
• Gáz centrifugálás. Az izotópok keverékét centrifugában hajtják, amely egy vékony falú henger, amely nagy sebességgel forog. A nehezebb izotópokat centrifugális erő dobja a centrifuga falához. A gőz mozgása miatt lefelé kerülnek, a készülék központi részéből származó könnyű izotópok pedig felfelé kerülnek.
• Kémiai módszer. A kémiai reakció 2 reagensben zajlik különböző fázisállapotokban, amely lehetővé teszi az izotóp fluxusok elválasztását. Ennek a technológiának vannak fajtái, amikor bizonyos izotópokat lézerrel ionizálnak, majd mágneses mező választja el egymástól.
• Klorid sók elektrolízise. Ezt a módszert lítium izotópokra csak laboratóriumi körülmények között alkalmazzák.

Alkalmazás

A lítium szinte minden alkalmazása az izotópjaihoz kapcsolódik. A 6-os tömegű elem típusát a következő célokra használják:

• mint trícium forrása (nukleáris üzemanyag a reaktorokban);
• trícium izotópok ipari szintéziséhez;
• termonukleáris fegyverek gyártásához.

Izotóp ⁷Az Li-t a következő területeken alkalmazzák:

• újratölthető elemek gyártásához;
• az orvostudományban – a gyártáshoz antidepresszánsok és nyugtatók;
• reaktorokban: hűtőfolyadékként, az atomerőművek vízerőműveinek működési feltételeinek fenntartása érdekében, a hűtőfolyadék tisztításához az atomreaktorok első áramkörének demineralizátoraiban.

A lítium izotópok alkalmazási köre egyre szélesebb. E tekintetben az ipar egyik sürgető problémája a nagy tisztaságú anyagok előállítása, beleértve a monoizotópos termékeket is.

2011-ben megkezdték a trícium akkumulátorok gyártását is, amelyeket lítium lítium izotópokkal besugároznak. Olyan helyeken használják, ahol alacsony áramra és hosszú élettartamra van szükség (pacemakerek és egyéb implantátumok, fúrólyuk-érzékelők és egyéb berendezések). A trícium felezési ideje, ezért, és élettartam az akkumulátor élettartama 12 év.