Gli isotopi di litio sono ampiamente utilizzati non solo nell'industria nucleare, ma anche nella produzione di batterie ricaricabili. Ne esistono diversi tipi, due dei quali si trovano in natura. Le reazioni nucleari con gli isotopi sono accompagnate dal rilascio di grandi quantità di radiazioni, che è una direzione promettente nel settore energetico.
Definizione
Gli isotopi del litio sono varietà di atomi di un dato elemento chimico. Differiscono l'una dall' altra per il numero di particelle elementari a carica neutra (neutroni). La scienza moderna conosce 9 isotopi di questo tipo, sette dei quali artificiali, con masse atomiche da 4 a 12.
Di questi, il più stabile è 8Li. La sua emivita è di 0,8403 secondi. Sono stati anche identificati 2 tipi di nuclidi isomerici nucleari (nuclei atomici che differiscono non solo per il numero di neutroni, ma anche di protoni): 10m1Li e 10m2 Li. Sono differenti nella struttura degli atomi nello spazio e nelle proprietà.
Essere nella natura
In condizioni naturali, ci sono solo 2 isotopi stabili - con una massa di 6 e 7 unità a. mangiare(6Li, 7Li). Il più comune di questi è il secondo isotopo del litio. Il litio nel sistema periodico di Mendeleev ha il numero di serie 3 e il suo numero di massa principale è 7 a.u. e.m. Questo elemento è piuttosto raro nella crosta terrestre. La sua estrazione e lavorazione sono costose.
La principale materia prima per ottenere il litio metallico è il suo carbonato (o carbonato di litio), che viene convertito in cloruro e quindi elettrolizzato in una miscela con KCl o BaCl. Il carbonato viene isolato dai materiali naturali (lepidolite, spodumene pirosseno) mediante sinterizzazione con CaO o CaCO3.
Nei campioni, il rapporto degli isotopi del litio può variare notevolmente. Ciò si verifica a causa del frazionamento naturale o artificiale. Questo fatto viene preso in considerazione quando si eseguono esperimenti di laboratorio accurati.
Caratteristiche
Isotopi di litio 6Li e 7Li differiscono nelle proprietà nucleari: la probabilità di interazione delle particelle elementari del nucleo atomico e la reazione prodotti. Pertanto, anche il loro scopo è diverso.
Quando l'isotopo del litio 6Li viene bombardato con neutroni lenti, viene prodotto idrogeno superpesante (trizio). In questo caso, le particelle alfa vengono scisse e si forma elio. Le particelle vengono espulse in direzioni opposte. Questa reazione nucleare è mostrata nella figura seguente.
Questa proprietà dell'isotopo viene utilizzata come alternativa per sostituire il trizio nei reattori a fusione e nelle bombe, poiché il trizio è caratterizzato da unstabilità.
L'isotopo di litio 7Il Li in forma liquida ha un calore specifico elevato e una sezione d'urto nucleare effettiva bassa. In una lega con fluoruro di sodio, cesio e berillio, viene utilizzato come refrigerante, nonché come solvente per i fluoruri U e Th nei reattori nucleari a sale liquido.
Layout principale
La disposizione più comune degli atomi di litio in natura include 3 protoni e 4 neutroni. Il resto ha 3 di queste particelle. La disposizione dei nuclei degli isotopi di litio è mostrata nella figura seguente (rispettivamente aeb).
Per formare il nucleo di un atomo di Li dal nucleo di un atomo di elio, è necessario e sufficiente aggiungere 1 protone e 1 neutrone. Queste particelle collegano le loro forze magnetiche. I neutroni hanno un campo magnetico complesso, che consiste di 4 poli, quindi nella figura del primo isotopo, il neutrone medio ha tre contatti occupati e uno potenzialmente libero.
L'energia di legame minima dell'isotopo di litio 7Li necessaria per dividere il nucleo dell'elemento in nucleoni è 37,9 MeV. È determinato dal metodo di calcolo indicato di seguito.
In queste formule, variabili e costanti hanno il seguente significato:
- n – numero di neutroni;
- m – massa di neutroni;
- p – numero di protoni;
- dM è la differenza tra la massa delle particelle che compongono il nucleo e la massa del nucleo dell'isotopo di litio;
- 931 meV è l'energia corrispondente a 1 a.u. e.m.
Nuclearetrasformazioni
Gli isotopi di questo elemento possono avere fino a 5 neutroni in più nel nucleo. Tuttavia, la durata di questo tipo di litio non supera alcuni millisecondi. Quando un protone viene catturato, l'isotopo 6Li si trasforma in 7Be, che poi decade in una particella alfa e un isotopo di elio 3 Lui. Quando viene bombardato dai deuteroni, 8Be riappare. Quando un deuterone viene catturato dal nucleo 7Li, si ottiene il nucleo 9Be, che decade immediatamente in 2 particelle alfa e un neutrone.
Come mostrano gli esperimenti, quando si bombardano gli isotopi di litio, si può osservare un'ampia varietà di reazioni nucleari. Questo rilascia una notevole quantità di energia.
Ricevi
La separazione degli isotopi di litio può essere eseguita in diversi modi. I più comuni sono:
- Separazione nel flusso di vapore. Per fare ciò, un diaframma viene posizionato in un recipiente cilindrico lungo il suo asse. La miscela gassosa di isotopi viene alimentata verso il vapore ausiliario. Alcune delle molecole arricchite nell'isotopo leggero si accumulano sul lato sinistro dell'apparato. Ciò è dovuto al fatto che le molecole di luce hanno un'elevata velocità di diffusione attraverso il diaframma. Vengono scaricati insieme al flusso di vapore dall'ugello superiore.
- Processo di termodiffusione. In questa tecnologia, come nella precedente, viene utilizzata la proprietà delle diverse velocità per lo spostamento delle molecole. Il processo di separazione avviene in colonne le cui pareti sono raffreddate. Al loro interno, al centro è teso un filo rovente. Come risultato della convezione naturale, sorgono 2 flussi: quello caldo si muovecavi in alto e freddo - lungo le pareti in basso. Gli isotopi leggeri vengono accumulati e rimossi nella parte superiore e gli isotopi pesanti nella parte inferiore.
- Centrifugazione del gas. Una miscela di isotopi viene fatta funzionare in una centrifuga, che è un cilindro a pareti sottili che ruota ad alta velocità. Gli isotopi più pesanti vengono lanciati dalla forza centrifuga contro le pareti della centrifuga. A causa del movimento del vapore, vengono portati verso il basso e gli isotopi leggeri dalla parte centrale del dispositivo verso l' alto.
- Metodo chimico. La reazione chimica procede in 2 reagenti che si trovano in diversi stati di fase, il che consente di separare i flussi di isotopi. Esistono varietà di questa tecnologia, quando determinati isotopi vengono ionizzati da un laser e quindi separati da un campo magnetico.
- Elettrolisi dei sali di cloruro. Questo metodo viene utilizzato per gli isotopi del litio solo in condizioni di laboratorio.
Applicazione
In pratica tutte le applicazioni del litio sono associate precisamente ai suoi isotopi. Una variazione dell'elemento con un numero di massa 6 viene utilizzata per i seguenti scopi:
- come fonte di trizio (combustibile nucleare nei reattori);
- per la sintesi industriale di isotopi di trizio;
- per la fabbricazione di armi termonucleari.
Isotopo 7Li viene utilizzato nei seguenti campi:
- per la produzione di batterie ricaricabili;
- in medicina - per la produzione di antidepressivi e tranquillanti;
- nei reattori: come refrigerante, per mantenere le condizioni di esercizio dell'acquareattori di potenza delle centrali nucleari, per pulire il liquido di raffreddamento nei demineralizzatori del circuito primario dei reattori nucleari.
La portata degli isotopi del litio sta diventando più ampia. A questo proposito, uno dei problemi urgenti dell'industria è quello di ottenere una sostanza di elevata purezza, compresi i prodotti monoisotopici.
Nel 2011 è stata avviata anche la produzione di batterie al trizio, ottenute irraggiando il litio con isotopi di litio. Sono utilizzati dove sono richieste basse correnti e una lunga durata (pacemaker e altri impianti, sensori di fondo pozzo e altre apparecchiature). L'emivita del trizio, e quindi la durata della batteria, è di 12 anni.
