Đồng vịLithium được sử dụng rộng rãi không chỉ trong ngành công nghiệp hạt nhân, mà còn trong sản xuất pin sạc. Có một số loại trong số chúng, hai trong số chúng được tìm thấy trong tự nhiên. Phản ứng hạt nhân với đồng vị kèm theo giải phóng một lượng lớn bức xạ, đây là một hướng đi đầy hứa hẹn trong ngành công nghiệp năng lượng.
Định nghĩa
Đồng vị của liti là các loại nguyên tử của một nguyên tố hóa học nhất định. Chúng khác nhau về số lượng các hạt cơ bản mang điện trung hòa (nơtron). Khoa học hiện đại biết 9 đồng vị như vậy, bảy đồng vị trong số đó là nhân tạo, với khối lượng nguyên tử từ 4 đến 12.
Trong số này, ổn định nhất là8Li. Chu kỳ bán rã của nó là 0,8403 giây. Hai loại nuclit đồng phân hạt nhân (hạt nhân nguyên tử không chỉ khác nhau về số nơtron mà còn cả proton) cũng đã được xác định -10m1Li và10m2 Li. Chúng khác nhau về cấu trúc của các nguyên tử trong không gian và tính chất.
Tự nhiên
Trong điều kiện tự nhiên chỉ tồn tại 2 đồng vị bền - có khối lượng 6 và 7 đơn vị a. ăn(6Li,7Li). Phổ biến nhất trong số này là đồng vị thứ hai của liti. Liti trong hệ thống tuần hoàn của Mendeleev có số thứ tự 3, và số khối lượng chính của nó là 7 a.u. e. m. Nguyên tố này khá hiếm trong vỏ trái đất. Việc chiết xuất và xử lý nó rất tốn kém.
Nguyên liệu chính để thu được liti kim loại là cacbonat của nó (hoặc liti cacbonat), được chuyển thành clorua, sau đó được điện phân trong hỗn hợp với KCl hoặc BaCl. Carbonate được phân lập từ các vật liệu tự nhiên (lepidolite, spodumene pyroxene) bằng cách thiêu kết với CaO hoặc CaCO3.
Trong các mẫu, tỷ lệ đồng vị lithium có thể khác nhau rất nhiều. Điều này xảy ra do quá trình chưng cất tự nhiên hoặc nhân tạo. Thực tế này được tính đến khi tiến hành các thí nghiệm chính xác trong phòng thí nghiệm.
Tính năng
Đồng vị liti6Li và7Li khác nhau về tính chất hạt nhân: xác suất tương tác của các hạt cơ bản của hạt nhân nguyên tử và phản ứng Mỹ phẩm. Do đó, phạm vi của chúng cũng khác nhau.
Khi đồng vị liti6Li bị bắn phá bằng neutron chậm, hydro siêu nhẹ (triti) được tạo ra. Trong trường hợp này, các hạt alpha bị tách ra và heli được hình thành. Các hạt bị đẩy ra theo các hướng ngược nhau. Phản ứng hạt nhân này được thể hiện trong hình bên dưới.
Tính chất của đồng vị này được sử dụng như một chất thay thế để thay thế triti trong lò phản ứng nhiệt hạch và bom, vì triti có đặc điểm là nhỏ hơnổn định.
Đồng vị liti7Li ở thể lỏng có nhiệt dung riêng cao và tiết diện hiệu dụng hạt nhân thấp. Trong hợp kim với natri, xêzi và berili florua, nó được sử dụng làm chất làm mát, cũng như dung môi cho florua U và Th trong các lò phản ứng hạt nhân muối lỏng.
Bố cục cốt lõi
Cách sắp xếp phổ biến nhất của các nguyên tử liti trong tự nhiên bao gồm 3 proton và 4 neutron. Phần còn lại có 3 hạt như vậy. Cách bố trí các hạt nhân của đồng vị liti được thể hiện trong hình bên dưới (a và b tương ứng).
Để tạo thành hạt nhân nguyên tử Li từ hạt nhân nguyên tử heli, cần và đủ thêm 1 proton và 1 neutron. Các hạt này kết nối lực từ của chúng. Nơtron có từ trường phức tạp, bao gồm 4 cực, vì vậy trong hình cho đồng vị đầu tiên, nơtron trung bình có ba tiếp điểm bị chiếm giữ và một tiếp điểm có khả năng tự do.
Năng lượng liên kết tối thiểu của đồng vị Liti7Li cần thiết để tách hạt nhân của nguyên tố thành các nucleon là 37,9 MeV. Nó được xác định bằng phương pháp tính toán đưa ra bên dưới.
Trong các công thức này, các biến và hằng có ý nghĩa sau:
- n - số nơtron;
- m - khối lượng nơtron;
- p - số proton;
- dM là hiệu số giữa khối lượng của các hạt tạo nên hạt nhân và khối lượng của hạt nhân của đồng vị liti;
- 931 meV là năng lượng tương ứng với 1 a.u. e.m.
Hạt nhânphép biến hình
Đồng vị của nguyên tố này có thể có thêm tối đa 5 nơtron trong hạt nhân. Tuy nhiên, thời gian tồn tại của loại lithium này không vượt quá vài mili giây. Khi một proton bị bắt, đồng vị6Li biến thành7Be, sau đó phân rã thành hạt alpha và đồng vị heli3 Anh ấy. Khi bị bắn phá bởi các deuteron,8sẽ xuất hiện trở lại. Khi một deuteron bị bắt bởi hạt nhân7Li, hạt nhân thu được9Be, hạt nhân này ngay lập tức bị phân rã thành 2 hạt alpha và một neutron.
Như các thí nghiệm cho thấy, khi bắn phá các đồng vị liti, có thể quan sát được nhiều loại phản ứng hạt nhân. Điều này giải phóng một lượng năng lượng đáng kể.
Nhận
Tách đồng vị liti có thể được thực hiện theo một số cách. Những cái phổ biến nhất là:
- Tách trong dòng hơi. Để làm điều này, một màng ngăn được đặt trong một bình hình trụ dọc theo trục của nó. Hỗn hợp khí của các đồng vị được đưa về phía hơi phụ. Một số phân tử được làm giàu trong đồng vị nhẹ tích tụ ở phía bên trái của thiết bị. Điều này là do thực tế là các phân tử ánh sáng có tốc độ khuếch tán cao qua màng ngăn. Chúng được xả ra cùng với dòng hơi từ vòi trên cùng.
- Quy trình xử lý nhiệt độ. Trong công nghệ này, cũng như trong công nghệ trước, đặc tính của các tốc độ khác nhau đối với các phân tử chuyển động được sử dụng. Quá trình phân tách diễn ra trong các cột có tường được làm mát. Bên trong chúng, một sợi dây nóng đỏ được kéo căng ở trung tâm. Kết quả của sự đối lưu tự nhiên, 2 dòng chảy phát sinh - dòng ấm di chuyển theodây lên, và lạnh - dọc theo các bức tường xuống. Đồng vị nhẹ được tích lũy và loại bỏ ở phần trên, và đồng vị nặng ở phần dưới.
- Ly tâm khí. Hỗn hợp đồng vị được chạy trong máy ly tâm, là một hình trụ có thành mỏng quay với tốc độ cao. Các đồng vị nặng hơn bị ném bởi lực ly tâm vào thành của máy ly tâm. Do sự chuyển động của hơi nước, chúng bị cuốn xuống và các đồng vị nhẹ từ phần trung tâm của thiết bị - lên trên.
- Phương pháp hóa học. Phản ứng hóa học xảy ra ở 2 thuốc thử ở trạng thái pha khác nhau nên có thể tách các dòng đồng vị. Có nhiều loại công nghệ này, khi một số đồng vị nhất định bị ion hóa bằng tia laser và sau đó bị phân tách bởi từ trường.
- Sự điện li của muối clorua. Phương pháp này chỉ được sử dụng cho các đồng vị liti trong điều kiện phòng thí nghiệm.
Đơn
Trên thực tế, tất cả các ứng dụng của lithium đều được liên kết chính xác với các đồng vị của nó. Một biến thể của nguyên tố có số khối là 6 được sử dụng cho các mục đích sau:
- như một nguồn tritium (nhiên liệu hạt nhân trong lò phản ứng);
- để tổng hợp công nghiệp các đồng vị triti;
- để chế tạo vũ khí nhiệt hạch.
Isotope7Li được sử dụng trong các trường sau:
- để sản xuất pin sạc;
- trong y học - để sản xuất thuốc chống trầm cảm và thuốc an thần;
- trong lò phản ứng: như một chất làm mát, để duy trì các điều kiện hoạt động của nướclò phản ứng điện của nhà máy điện hạt nhân, để làm sạch chất làm mát trong bộ khử khoáng của mạch sơ cấp của lò phản ứng hạt nhân.
Phạm vi của các đồng vị lithium ngày càng trở nên rộng hơn. Về vấn đề này, một trong những vấn đề cấp bách của ngành là thu được một chất có độ tinh khiết cao, bao gồm các sản phẩm đơn vị đồng vị.
Năm 2011, việc sản xuất pin triti cũng được đưa ra, thu được bằng cách chiếu xạ lithium với các đồng vị lithium. Chúng được sử dụng ở những nơi yêu cầu dòng điện thấp và tuổi thọ lâu dài (máy tạo nhịp tim và các thiết bị cấy ghép khác, cảm biến đường xuống và các thiết bị khác). Chu kỳ bán rã của tritium, và do đó tuổi thọ của pin, là 12 năm.
