Ізотопи літію

Природний літій складається з двох стабільних ізотопів: ⁶Li (7,5%) і ⁷Li (92,5%); у деяких зразках літію ізотопне співвідношення може бути значно порушене внаслідок природного або штучного фракціонування ізотопів. Це слід мати на увазі під час точних хімічних дослідів з використанням літію або його сполук. Також відомо ще 7 штучних радіоактивних ізотопів літію і два ядерних ізомери (масові числа від ⁴Li до ¹²Li та ^10m1Li − ^10m2Li відповідно). Найстійкіший з них, ⁸Li, має період напіврозпаду 0,8403 с. Екзотичний ізотоп ³Li (трипротон), мабуть, не існує як зв'язана система.

⁷Li є одним з небагатьох ізотопів, що утворилися під час первинного нуклеосинтезу (тобто невдовзі після Великого Вибуху^[1]), а не лише в зорях, у кількості не більш як 10⁻⁹ від усіх елементів^[2][3]. Деяка кількість ізотопу ⁶Li, принаймні в десять тисяч разів менша, ніж ⁷Li, також утворилася в первинному нуклеосинтезі^[1]. Приблизно в десять разів більше ⁷Li утворилося в зоряному нуклеосинтезі.

Літій є проміжним продуктом реакції ppII, але при високих температурах він швидко перетворюється на два ядра гелію-4^[4][5] (через ⁸Be).

Розділення ізотопів

Розділення colex

Літій-6 має більшу спорідненість із ртуттю, ніж літій-7. Коли амальгаму літію і ртуть додають до розчину, який містить гідроксид літію, то в амальгамі збільшується концентрації літію-6, а в розчині гідроксиду збільшується концентрація літію-7.

Цю властивість застосовують у методі розділення colex (column exchange, букв. колонний обмін), пропускаючи зустрічні потоки амальгами і гідроксиду через низку каскадів. фракція літію-6 здебільшого захоплюється ртуттю, тоді як літій-7 - розчином гідроксиду. На дні колони літій (збагачений літієм-6) відділяється від амальгами, а ртуть повертається для використання з новою сировиною. Зверху колони розчин гідроксиду літію піддається електролізу, щоб виділити з нього фракцію літію-7. Збагачення, якого вдається досягнути за допомогою цього методу, залежить від висоти колони і швидкості потоків.

Молекулярна перегонка

Метод молекулярної перегонки полягає в тому, що літій нагрівають до температури близько 550 °C у вакуумі. Атоми літію випаровуються з поверхні рідини й осідають на холодній поверхні, яка розташована кількома сантиметрами вище. Оскільки атоми літію-6 мають більшу довжину вільного пробігу, то вони переважно й збираються.

Теоретична ефективність цього методу розділення становить близько 8,0 відсотків. Щоб досягнути більшого ступеню сепарації, потрібні кілька стадій.

Літій-4

Ядро літію-4 містить три протони і один нейтрон. Це найбільш короткоживучий з відомих ізотопів літію, з періодом напіврозпаду близько 9.1×10⁻²³ секунди. Внаслідок протонного розпаду він розпадається до гелію-3.^[6] Крім того, літій-4 може утворитися як проміжний продукт в деяких реакціях ядерного синтезу.

Літій-6

Літій-6 цінний як сировина для виробництва тритію і як поглинач нейтронів у реакціях ядерного синтезу. Природний літій містить близько 7,5 відсотка літію-6, а решта - літій-7. Значні кількості літію-6 виділено для застосування в термоядерних бомбах. Нині країни, які займалися виробництвом термоядерних бомб, припинили відділяти літій-6^{[джерело?]}, але значна його кількість залишилася на їхніх складах. Літій-6 є одним із лише трьох стабільних ізотопів, спін яких дорівнює 1^[7], і його ядро має найменший ненульовий електричний квадрупольний момент зі всіх елементів.

Літій-7

Літій-7 є з великою перевагою найбільш поширеним ізотопом природного літію і становить 92,5 відсотка атомів. Атом літію-7 містить три протони, чотири нейтрони і три електрони. Завдяки властивостям свого ядра літій-7 менш поширений у всесвіті, ніж гелій, берилій, вуглець, азот і оксиген, навіть попри те, що останні чотири елементи мають важчі ядра, ніж літій.

Внаслідок промислового виробництва літію-6 утворюються відходи, які збагачені літієм-7 і збіднені літієм-6. Ці матеріали продавались на ринку, а також їх просто відвалювали в довкілля. Відносний надлишок літію-7, до 35 відсотків вищий, ніж природне співвідношення, зареєстровано в ґрунтових водах у карбонатному водоносному горизонті під струмком Вест Воллі в Пенсільванії, який перебуває нижче за течією від заводу з виробництва літію. У збідненому літії нижня межа відносної частки літію-6 може становити до 20 відсотків від його природного вмісту. Оскільки співвідношення часток ізотопів літію дещо залежить від джерела, то неможливо точно визначити атомну масу проб літію зі всіх джерел.^[8]

Літій-7 використовують. як один із компонентів розплавленого фториду літію^[ru] в реакторах на розплавах солей. Великий ефективний поперечний переріз захоплення нейтронів літію-6 (близько 940 барн^[9]) порівняно з дуже незначною величиною цього показника для літію-7 (близько 45 мілібарн) призводить до необхідності дуже добре очищувати літій-7 з сировини, щоб його можна було застосовувати в реакторах на фториді літію.

Гідроксид літію-7 використовується для олужнення охолоджувача у водно-водяних ядерних реакторах.^[10]

Літій-11

Припускають, що ядро літію-11 має гало^[en]. Ядро складається з трьох протонів і дев'яти нейтронів, два з яких утворюють ядерне гало. Воно має надзвичайно великий поперечний переріз 3.16 фм, порівняний з цим показником у ²⁰⁸Pb. Воно розпадається внаслідок бета-розпаду до ¹¹Be, який у свою чергу розпадається кількома шляхами (див. таблицю нижче).

Літій-12

Літій-12 має набагато коротший період напіврозпаду, близько 10 наносекунд. Внаслідок нейтронного розпаду він розпадається до ¹¹Li, який у свою чергу розпадається. як написано вище.

Таблиця

Символ ізотопу	Z(p)	N(n)	Маса ізотопу (u)	Період напіврозпаду	Типи розпаду[11]	Дочірні ізотопи[n 1]	Спін і парність ядра	Поширеність ізотопу в природі (мольна частка)	Діапазон розподілу в природі (мольна частка)
	Енергія збудження
4Li	3	1	4.02719(23)	91(9)×10^−24 с [6.03 МеВ]	p	3He
5Li	3	2	5.01254(5)	370(30)×10^−24 с [~1.5 МеВ]	p	4He	3/2−
6Li	3	3	6.015122795(16)	Стабільний			1+	[0.0759(4)]	0.07714–0.07225
7Li[n 2]	3	4	7.01600455(8)	Стабільний			3/2−	[0.9241(4)]	0.92275–0.92786
8Li	3	5	8.02248736(10)	840.3(9) мс	β^−	8Be[n 3]	2+
9Li	3	6	9.0267895(21)	178.3(4) мс	β^−, n (50.8%)	8Be[n 4]	3/2−
					β^− (49.2%)	9Be
10Li	3	7	10.035481(16)	2.0(5)×10^−21 с [1.2(3) MeV]	n	9Li	(1−,2−)
10Li	200(40) кеВ			3.7(15)×10^−21 с			1+
10Li	480(40) кеВ			1.35(24)×10^−21 с			2+
11Li[n 5]	3	8	11.043798(21)	8.75(14) мс	β^−, n (84.9%)	10Be	3/2−
					β^− (8.07%)	11Be
					β^−, 2n (4.1%)	9Be
					β^−, 3n (1.9%)	8Be[n 6]
					β^−, α (1.0%)	7He, 4He
					β^−, поділ (.014%)	8Li, 3H
					β^−, поділ (.013%)	9Li, 2H
12Li	3	9	12.05378(107)#	<10 нs	n	11Li

1. Жирним для стабільних ізотопів
2. Утворився під час нуклеосинтезу Великого вибуху
3. Одразу ж розпадається на два атоми ⁴He в результаті реакції ⁸Li → 2⁴He + e⁻
4. Одразу ж розпадається на два атоми ⁴He в результаті реакції ⁹Li → 2⁴He + ¹n + e⁻
5. Має 2 нейтрони гало
6. Одразу ж розпадається на два атоми ⁴He в результаті реакції ¹¹Li → 2⁴He + 3¹n + e⁻

Нотатки

• Поширеність ізотопів наведена для більшості природних земних зразків. Для інших джерел значення можуть значно відрізнятися.
• Відомі виняткові проби літію з геологічних зразків, у яких поширеність ізотопів лежить поза межами наведеного діапазону розподілу. Похибка у вимірюваннях атомної маси для таких зразків може перевищувати наведену величину.
• Комерційно доступні матеріали могли підлягати прихованому або випадковому розділенню на ізотопи. Можуть траплятись суттєві відхилення від поданої маси і складу.
• У збідненому літії нижня межа відносної частки літію-6 може становити до 20 відсотків від його природного вмісту, даючи виміряну атомну масу в діапазоні від 6.94 а.о.м. до 7.00 а.о.м.
• Оцінки позначені # отримані не з чисто експериментальних даних, але частково із систематичних трендів у сусідніх нуклідів (з такими самими відношеннями Z і N). Спіни зі слабким оцінковим обґрунтуванням взяті в дужки.
• похибку вимірювання подано в скороченій формі в дужках після відповідних останніх цифр. Похибка позначає одне стандартне відхилення, за винятком ізотопної поширеності та атомної маси від IUPAC, яка використовує складніші визначення похибок. Приклади: 29770,6(5) означає 29770,6 ± 0,5; 21,48(15) означає 21,48 ± 0,15; −2200,2(18) означає −2200,2 ± 1,8.
• Незвичайний ізотоп літій-11 має ядерне гало, яке складається з двох слабко-пов'язаних нейтронів, що пояснює значну відмінність у радіусі його ядра.
• Маси радіонуклідів подано за даними Комісії з символів, одиниць, номенклатури, атомних мас і фундаментальних констант (SUNAMCO) IUPAP
• Поширеність ізотопів подано за даними Комісії з ізотопних поширеностей і атомних мас IUPAC

Ланцюги розпаду

${\displaystyle \mathrm {{}_{3}^{4}Li} \ {\xrightarrow {\ \mathrm {91ys} }}\ \mathrm {{}_{2}^{3}He} +\mathrm {{}_{1}^{1}H} }$

${\displaystyle \mathrm {{}_{3}^{5}Li} \ {\xrightarrow {\ \mathrm {370ys} }}\ \mathrm {{}_{2}^{4}He} +\mathrm {{}_{1}^{1}H} }$

${\displaystyle \mathrm {{}_{3}^{8}Li} \ {\xrightarrow {\ \mathrm {840.3ms} }}\ \mathrm {{}_{4}^{8}Be} +\mathrm {e{}_{}^{-}} }$

${\displaystyle \mathrm {{}_{3}^{9}Li} \ {\xrightarrow {\ \mathrm {178.3ms} }}\ \mathrm {{}_{4}^{8}Be} +\mathrm {{}_{0}^{1}n} +\mathrm {e{}_{}^{-}} }$

${\displaystyle \mathrm {{}_{3}^{9}Li} \ {\xrightarrow {\ \mathrm {178.3ms} }}\ \mathrm {{}_{4}^{9}Be} +\mathrm {e{}_{}^{-}} }$

${\displaystyle \mathrm {{}_{3}^{10}Li} \ {\xrightarrow {\ \mathrm {2zs} }}\ \mathrm {{}_{3}^{9}Li} +\mathrm {{}_{0}^{1}n} }$

${\displaystyle \mathrm {{}_{3}^{11}Li} \ {\xrightarrow {\ \mathrm {8.75ms} }}\ \mathrm {{}_{4}^{10}Be} +\mathrm {{}_{0}^{1}n} +\mathrm {e{}_{}^{-}} }$

${\displaystyle \mathrm {{}_{3}^{11}Li} \ {\xrightarrow {\ \mathrm {8.75ms} }}\ \mathrm {{}_{4}^{11}Be} +\mathrm {e{}_{}^{-}} }$

${\displaystyle \mathrm {{}_{3}^{11}Li} \ {\xrightarrow {\ \mathrm {8.75ms} }}\ \mathrm {{}_{4}^{9}Be} +\mathrm {2{}_{0}^{1}n} +\mathrm {e{}_{}^{-}} }$

${\displaystyle \mathrm {{}_{3}^{11}Li} \ {\xrightarrow {\ \mathrm {8.75ms} }}\ \mathrm {{}_{4}^{8}Be} +\mathrm {3{}_{0}^{1}n} +\mathrm {e{}_{}^{-}} }$

${\displaystyle \mathrm {{}_{3}^{11}Li} \ {\xrightarrow {\ \mathrm {8.75ms} }}\ \mathrm {{}_{4}^{7}He} +\mathrm {{}_{2}^{4}He} +\mathrm {e{}_{}^{-}} }$

${\displaystyle \mathrm {{}_{3}^{11}Li} \ {\xrightarrow {\ \mathrm {8.75ms} }}\ \mathrm {{}_{3}^{8}Li} +\mathrm {{}_{1}^{3}H} +\mathrm {e{}_{}^{-}} }$

${\displaystyle \mathrm {{}_{3}^{11}Li} \ {\xrightarrow {\ \mathrm {8.75ms} }}\ \mathrm {{}_{3}^{9}Li} +\mathrm {{}_{1}^{2}H} +\mathrm {e{}_{}^{-}} }$

${\displaystyle \mathrm {{}_{3}^{12}Li} \ {\xrightarrow {\ \mathrm {<10ns} }}\ \mathrm {{}_{3}^{11}Li} +\mathrm {{}_{0}^{1}n} }$

Примітки

1. BD Fields The Primordial Lithium Problem [Архівовано 19 жовтня 2016 у Wayback Machine.], ‎Annual Reviews of Nuclear and Particle Science 2011 (рос.)
2. Постнов К.А. Лекции по общей астрофизике для физиков. Архів оригіналу за 23 серпня 2011. Процитовано 27 грудня 2016. {{cite web}}: Cite має пустий невідомий параметр: |4= (довідка); див мал. 11.1(англ.)
3. Архівована копія (PDF). Архів оригіналу (PDF) за 13 листопада 2013. Процитовано 27 грудня 2016. [Архівовано 2013-11-13 у Wayback Machine.](англ.)
4. Lecture 27: Stellar Nucleosynthesis [Архівовано 28 травня 2015 у Wayback Machine.] // Університет Toledo — «The Destruction of Lithium in Young Convective Stars» slide 28(англ.)
5. Greg Ruchti, Lithium in the Cosmos [Архівовано 4 березня 2016 у Wayback Machine.] — «Lithium is Fragile» slide 10(англ.)
6. Ізотопи of Lithium. Процитовано 20 October 2013.^{[недоступне посилання з червня 2019]}
7. Chandrakumar, N. (2012). Spin-1 NMR. Springer Science & Business Media. с. 5. ISBN 9783642610899. Архів оригіналу за 3 червня 2016. Процитовано 27 грудня 2016.
8. T. B. Coplen, J. A. Hopple, J. K. Böhlke, H. S. Peiser, S. E. Rieder, H. R. Krouse, K. J. R. Rosman, T. Ding, R. D. Vocke, Jr., K. M. Révész, A. Lamberty, P. Taylor, P. De Bièvre. "Compilation of minimum and maximum isotope ratios of selected elements in naturally occurring terrestrial materials and reagents", U.S. Geological Survey Water-Resources Investigations Report 01-4222 (2002). As quoted in T. B. Coplen та ін. (2002). Isotope-Abundance Variations of Selected Elements (IUPAC technical report) (PDF). Pure and Applied Chemistry. 74 (10): 1987—2017. doi:10.1351/pac200274101987. Архів оригіналу (PDF) за 3 березня 2016. Процитовано 27 грудня 2016. [Архівовано 2016-03-03 у Wayback Machine.]
9. Holden, Norman E. (January–February 2010). The Impact of Depleted ⁶Li on the Standard Atomic Weight of Lithium. International Union of Pure and Applied Chemistry. Архів оригіналу за 31 серпня 2014. Процитовано 6 May 2014.
10. Managing Critical Isotopes: Stewardship of Lithium-7 Is Needed to Ensure a Stable Supply, GAO-13-716 [Архівовано 20 січня 2017 у Wayback Machine.] // U.S. Government Accountability Office, 19 September 2013; pdf [Архівовано 14 жовтня 2017 у Wayback Machine.]
11. Universal Nuclide Chart. Nucleonica. Архів оригіналу за 19 лютого 2017. Процитовано 27 вересня 2012.

Джерела

• Маси ізотопів взяті з:
  • G. Audi; A. H. Wapstra; C. Thibault; J. Blachot; O. Bersillon (2003). The NUBASE evaluation of nuclear and decay properties (PDF). Nuclear Physics A. 729: 3—128. Bibcode:2003NuPhA.729....3A. doi:10.1016/j.nuclphysa.2003.11.001. Архів оригіналу (PDF) за 23 вересня 2008. Процитовано 27 грудня 2016.
• Кількісні співвідношення ізотопів і стандартні атомні маси взяті з:
  • J. R. de Laeter; J. K. Böhlke; P. De Bièvre; H. Hidaka; H. S. Peiser; K. J. R. Rosman; P. D. P. Taylor (2003). Atomic weights of the елементs. Review 2000 (IUPAC Technical Report). Pure and Applied Chemistry. 75 (6): 683—800. doi:10.1351/pac200375060683. Архів оригіналу за 1 липня 2018. Процитовано 27 грудня 2016.
  • M. E. Wieser (2006). Atomic weights of the елементs 2005 (IUPAC Technical Report). Pure and Applied Chemistry. 78 (11): 2051—2066. doi:10.1351/pac200678112051. Архів оригіналу за 4 січня 2019. Процитовано 27 грудня 2016. Загальний огляд.
• Період напіврозпаду, спін, і дані ізомерів взяті з:
  • G. Audi; A. H. Wapstra; C. Thibault; J. Blachot; O. Bersillon (2003). The NUBASE evaluation of nuclear and decay properties (PDF). Nuclear Physics A. 729: 3—128. Bibcode:2003NuPhA.729....3A. doi:10.1016/j.nuclphysa.2003.11.001. Архів оригіналу (PDF) за 23 вересня 2008. Процитовано 27 грудня 2016.
  • National Nuclear Data Center. NuDat 2.1 database. Brookhaven National Laboratory. Архів оригіналу за 13 травня 2019. Процитовано September 2005.
  • N. E. Holden (2004). Table of the Ізотопи. У D. R. Lide (ред.). CRC Handbook of Chemistry and Physics (вид. 85th). CRC Press. Section 11. ISBN 978-0-8493-0485-9.

Посилання

Lewis, G. N.; MacDonald, R. T. (1936). The Separation of Lithium Ізотопи. Journal of the American Chemical Society. 58 (12): 2519. doi:10.1021/ja01303a045.

Ізотопи гелію	Ізотопи літію	Ізотопи берилію
Таблиця ізотопів

H

He

Li

Be

B

C

N

O

F

Ne

Na

Mg

Al

Si

P

S

Cl

Ar

K

Ca

Sc

Ti

V

Cr

Mn

Fe

Co

Ni

Cu

Zn

Ga

Ge

As

Se

Br

Kr

Rb

Sr

Y

Zr

Nb

Mo

Tc

Ru

Rh

Pd

Ag

Cd

In

Sn

Sb

Te

I

Xe

Cs

Ba

*

Hf

Ta

W

Re

Os

Ir

Pt

Au

Hg

Tl

Pb

Bi

Po

At

Rn

Fr

Ra

**

Rf

Db

Sg

Bh

Hs

Mt

Ds

Rg

Cn

Uut

Fl

Mc

Lv

Ts

Og

*

La

Ce

Pr

Nd

Pm

Sm

Eu

Gd

Tb

Dy

Ho

Er

Tm

Yb

Lu

**

Ac

Th

Pa

U

Np

Pu

Am

Cm

Bk

Cf

Es

Fm

Md

No

Lr