A lítium izotópokat nemcsak a nukleáris iparban használják széles körben, hanem az újratölthető akkumulátorok gyártásában is. Többféle típusuk van, ezek közül kettő megtalálható a természetben. Az izotópokkal való nukleáris reakciók nagy mennyiségű sugárzással járnak, ami ígéretes irány az energiaiparban.
Definíció
A lítium izotópjai egy adott kémiai elem atomjainak változatai. A semleges töltésű elemi részecskék (neutronok) számában különböznek egymástól. A modern tudomány 9 ilyen izotópot ismer, amelyek közül hét mesterséges, 4-12 atomtömeggel.
Ezek közül a legstabilabb a 8Li. Felezési ideje 0,8403 másodperc. Kétféle nukleáris izomer nuklidot is azonosítottak (az atommagokat, amelyek nemcsak a neutronok számában, hanem a protonok számában is különböznek egymástól) - 10m1Li és 10m2 Li. Különbözőek az atomok térbeli szerkezetében és tulajdonságaiban.
A természetben lenni
Természetes körülmények között csak 2 stabil izotóp létezik – 6 és 7 egységnyi tömeggel. eszik(6Li, 7Li). Ezek közül a leggyakoribb a lítium második izotópja. Mengyelejev periodikus rendszerében a lítium sorozatszáma 3, fő tömegszáma pedig 7 a.u. e.m. Ez az elem meglehetősen ritka a földkéregben. Kitermelése és feldolgozása költséges.
A fémes lítium előállításának fő nyersanyaga annak karbonátja (vagy lítium-karbonátja), amelyet kloriddá alakítanak, majd KCl- vagy BaCl-elegyben elektrolizálnak. A karbonátot természetes anyagokból (lepidolit, spodumen-piroxén) izolálják CaO-val vagy CaCO-val való szinterezéssel3.
A mintákban a lítium izotópok aránya nagymértékben változhat. Ez természetes vagy mesterséges frakcionálás eredményeként következik be. Ezt a tényt a pontos laboratóriumi kísérletek elvégzésekor figyelembe veszik.
Jellemzők
Lítium izotópok 6Li és 7Li nukleáris tulajdonságaiban különböznek: az atommag elemi részecskéinek kölcsönhatásának valószínűsége és a reakció Termékek. Ezért a hatályuk is eltérő.
Amikor a lítium izotópot 6Li-t lassú neutronokkal bombázzák, szupernehéz hidrogén (trícium) keletkezik. Ebben az esetben az alfa-részecskék lehasadnak és hélium képződik. A részecskék ellentétes irányban lökődnek ki. Ezt a nukleáris reakciót az alábbi ábra mutatja.
Az izotóp ezen tulajdonságát alternatívaként használják a trícium helyettesítésére fúziós reaktorokban és bombákban, mivel a tríciumot kisebbstabilitás.
Lítium-izotóp 7A folyékony formában lévő lítiumnak magas a fajhője és alacsony a nukleáris effektív keresztmetszete. Nátrium-, cézium- és berillium-fluoridot tartalmazó ötvözetben hűtőfolyadékként, valamint U- és Th-fluoridok oldószereként használják folyékony-sós atomreaktorokban.
Alap elrendezés
A lítiumatomok leggyakoribb elrendezése a természetben 3 protonból és 4 neutronból áll. A többiben 3 ilyen részecske van. A lítium izotópok magjainak elrendezését az alábbi ábra mutatja (a és b).
Ahhoz, hogy a hélium atom magjából Li atom magját képezzük, szükséges és elegendő 1 proton és 1 neutron hozzáadása. Ezek a részecskék összekapcsolják mágneses erőiket. A neutronok összetett mágneses mezővel rendelkeznek, amely 4 pólusból áll, így az ábrán az első izotópnál az átlagos neutronnak három elfogl alt és egy potenciálisan szabad érintkezője van.
A 7Lítium izotóp minimális kötési energiája 37,9 MeV, amely az elem magjának nukleonokra való felosztásához szükséges. Ezt az alábbiakban megadott számítási módszer határozza meg.
Ezekben a képletekben a változók és konstansok jelentése a következő:
- n – neutronok száma;
- m – neutron tömege;
- p – protonok száma;
- dM az atommagot alkotó részecskék tömege és a lítium-izotóp magjának tömege közötti különbség;
- 931 meV az 1 a.u.-nak megfelelő energia. e.m.
Nuclearátalakítások
Ennek az elemnek az izotópjai akár 5 extra neutront is tartalmazhatnak az atommagban. Az ilyen típusú lítium élettartama azonban nem haladja meg a néhány milliszekundumot. Amikor egy protont befognak, a 6Li izotóp 7Be-vé alakul, amely aztán alfa-részecskévé és hélium izotóppá bomlik 3 Ő. Amikor deuteronok bombázzák, a 8Be újra megjelenik. Amikor egy deuteront befog az atommag 7Li, az atommagot kapjuk 9Be, amely azonnal 2 alfa-részecskére és egy neutronra bomlik.
Amint a kísérletek azt mutatják, lítium-izotópok bombázásakor a nukleáris reakciók széles skálája figyelhető meg. Ez jelentős mennyiségű energiát szabadít fel.
Fogadás
A lítium izotópok szétválasztása többféle módon is elvégezhető. A leggyakoribbak:
- Elválasztás a gőzáramlásban. Ehhez egy membránt helyeznek egy hengeres edénybe a tengelye mentén. Az izotópok gáznemű keverékét a segédgőz felé táplálják. A fényizotópban dúsított molekulák egy része a készülék bal oldalán halmozódik fel. Ez annak a ténynek köszönhető, hogy a fénymolekulák nagy diffúziós sebességgel rendelkeznek a membránon keresztül. A felső fúvókából kiáramló gőzzel együtt távoznak.
- Termodiffúziós folyamat. Ebben a technológiában, akárcsak az előzőben, a molekulák mozgatására szolgáló különböző sebességek tulajdonságát használják fel. Az elválasztási folyamat oszlopokban történik, amelyek falai hűtve vannak. Belülük egy vörösen izzó drót van kifeszítve a közepén. A természetes konvekció eredményeként 2 áramlás keletkezik - a meleg haladvezetékek fel, és hideg - a falak mentén lefelé. A könnyű izotópok felhalmozódnak és eltávolíthatók a felső részben, a nehéz izotópok pedig az alsó részben.
- Gázcentrifugálás. Izotópok keverékét centrifugában futtatják, amely egy vékony falú henger, amely nagy sebességgel forog. A nehezebb izotópokat centrifugális erő dobja a centrifuga falai közé. A gőz mozgása miatt lefelé, a könnyű izotópok pedig a készülék központi részéből felfelé kerülnek.
- Kémiai módszer. A kémiai reakció 2 különböző fázisállapotú reagensben megy végbe, ami lehetővé teszi az izotópáramok szétválasztását. Ennek a technológiának vannak olyan változatai, amikor bizonyos izotópokat lézerrel ionizálnak, majd mágneses térrel elválasztanak egymástól.
- Kloridsók elektrolízise. Ezt a módszert csak laboratóriumi körülmények között alkalmazzák lítium izotópokra.
Alkalmazás
A lítium gyakorlatilag minden alkalmazása pontosan az izotópjaihoz kapcsolódik. Az elem 6-os tömegszámú változatát a következő célokra használjuk:
- tríciumforrásként (nukleáris üzemanyag a reaktorokban);
- trícium izotópok ipari szintéziséhez;
- termonukleáris fegyverek készítéséhez.
Izotóp 7A Li a következő mezőkben használatos:
- újratölthető akkumulátorok gyártásához;
- gyógyászatban - antidepresszánsok és nyugtatók gyártásához;
- reaktorokban: hűtőfolyadékként, a víz működési feltételeinek fenntartásáhozatomerőművek erőreaktorai, az atomreaktorok primer körének demineralizátoraiban lévő hűtőközeg tisztítására.
A lítium izotópok köre egyre szélesebb. Ebben a tekintetben az ipar egyik sürgető problémája egy nagy tisztaságú anyag előállítása, beleértve a monoizotópos termékeket is.
2011-ben megkezdődött a trícium akkumulátorok gyártása is, amelyeket lítium lítium izotópokkal történő besugárzásával nyernek. Ott használatosak, ahol alacsony áramerősségre és hosszú élettartamra van szükség (pacemakerek és egyéb implantátumok, furatérzékelők és egyéb berendezések). A trícium felezési ideje, és így az akkumulátor élettartama 12 év.
