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 → 2⁴He + e⁻
3. Немедленно распадается на две α-частицы для реакции ⁹Li → 2⁴He + ¹n + e⁻
4. Немедленно распадается на две α-частицы для реакции ¹¹Li → 2⁴He + 3¹n + 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.