ایزوتوپ های لیتیوم نه تنها در صنعت هسته ای، بلکه در تولید باتری های قابل شارژ نیز به طور گسترده ای استفاده می شوند. انواع مختلفی از آنها وجود دارد که دو نوع آن در طبیعت یافت می شود. واکنش‌های هسته‌ای با ایزوتوپ‌ها با انتشار مقادیر زیادی تشعشع همراه است که یک جهت امیدوارکننده در صنعت انرژی است.
تعریف
ایزوتوپ های لیتیوم انواعی از اتم های یک عنصر شیمیایی معین هستند. آنها از نظر تعداد ذرات بنیادی با بار خنثی (نوترون) با یکدیگر تفاوت دارند. علم مدرن 9 ایزوتوپ از این قبیل را می شناسد که هفت تای آنها مصنوعی هستند و جرم اتمی آن ها از 4 تا 12 است.
از اینها، پایدارترین 8Li است. نیمه عمر آن 0.8403 ثانیه است. 2 نوع هسته ایزومر هسته ای (هسته های اتمی که نه تنها از نظر تعداد نوترون ها، بلکه پروتون ها نیز متفاوت هستند) نیز شناسایی شده اند - 10m1Li و 10m2لی. آنها از نظر ساختار اتم ها در فضا و از نظر خواص متفاوت هستند.
بودن در طبیعت
در شرایط طبیعی، تنها ۲ ایزوتوپ پایدار وجود دارد - با جرم ۶ و ۷ واحد a. خوردن(6Li, 7Li). رایج ترین آنها دومین ایزوتوپ لیتیوم است. لیتیوم در سیستم تناوبی مندلیف دارای شماره سریال 3 و عدد جرمی اصلی آن 7 a.u است. e. m. این عنصر در پوسته زمین کاملاً نادر است. استخراج و پردازش آن پرهزینه است.
ماده اولیه اصلی برای به دست آوردن لیتیوم فلزی کربنات آن (یا کربنات لیتیوم) است که به کلرید تبدیل می شود و سپس در مخلوطی با KCl یا BaCl الکترولیز می شود. کربنات از مواد طبیعی (لپیدولیت، اسپودومن پیروکسن) با پخت با CaO یا CaCO جدا می شود.3.
در نمونه ها، نسبت ایزوتوپ های لیتیوم می تواند بسیار متفاوت باشد. این در نتیجه شکنش طبیعی یا مصنوعی رخ می دهد. این واقعیت هنگام انجام آزمایش‌های آزمایشگاهی دقیق در نظر گرفته می‌شود.
ویژگی ها
ایزوتوپ های لیتیوم 6Li و 7Li در خواص هسته ای متفاوت هستند: احتمال برهمکنش ذرات بنیادی هسته اتم و واکنش محصولات بنابراین، دامنه آنها نیز متفاوت است.
وقتی ایزوتوپ لیتیوم 6Li با نوترون های کند بمباران می شود، هیدروژن فوق سنگین (تریتیوم) تولید می شود. در این حالت ذرات آلفا جدا شده و هلیوم تشکیل می شود. ذرات در جهت مخالف به بیرون پرتاب می شوند. این واکنش هسته ای در شکل زیر نشان داده شده است.
این خاصیت ایزوتوپ به عنوان جایگزینی برای جایگزینی تریتیوم در راکتورها و بمب‌های همجوشی استفاده می‌شود، زیرا تریتیوم با مقدار کمتری مشخص می‌شود.ثبات.
ایزوتوپ لیتیوم 7Li به شکل مایع دارای گرمای ویژه بالا و سطح مقطع موثر هسته ای کم است. در آلیاژی با فلوراید سدیم، سزیم و بریلیم، از آن به عنوان خنک کننده و همچنین حلال فلوریدهای U و Th در راکتورهای هسته ای نمک مایع استفاده می شود.
طرح هسته
رایج ترین آرایش اتم های لیتیوم در طبیعت شامل 3 پروتون و 4 نوترون است. بقیه دارای 3 ذره از این دست هستند. طرح هسته ایزوتوپ های لیتیوم در شکل زیر نشان داده شده است (به ترتیب a و b).
برای تشکیل هسته اتم لی از هسته اتم هلیوم، اضافه کردن 1 پروتون و 1 نوترون لازم و کافی است. این ذرات نیروهای مغناطیسی خود را به هم متصل می کنند. نوترون ها دارای یک میدان مغناطیسی پیچیده هستند که از 4 قطب تشکیل شده است، بنابراین در شکل ایزوتوپ اول، نوترون متوسط دارای سه تماس اشغال شده و یک تماس بالقوه آزاد است.
حداقل انرژی اتصال ایزوتوپ لیتیوم 7Li مورد نیاز برای تقسیم هسته عنصر به نوکلئون 37.9 مگا ولت است. با روش محاسبه زیر تعیین می شود.
در این فرمول ها، متغیرها و ثابت ها به معنای زیر هستند:
- n - تعداد نوترون؛
- m - جرم نوترون؛
- p - تعداد پروتونها؛
- dM تفاوت بین جرم ذرات تشکیل دهنده هسته و جرم هسته ایزوتوپ لیتیوم است؛
- 931 meV انرژی مربوط به 1 a.u است. e.m.
هسته ایتحولات
ایزوتوپ های این عنصر می توانند تا 5 نوترون اضافی در هسته داشته باشند. با این حال، طول عمر این نوع لیتیوم از چند میلی ثانیه تجاوز نمی کند. هنگامی که یک پروتون گرفته می شود، ایزوتوپ 6Li به 7Be تبدیل می شود، که سپس به یک ذره آلفا و ایزوتوپ هلیوم تجزیه می شود. 3 او. هنگامی که توسط دوترون ها بمباران می شود، 8Be دوباره ظاهر می شود. وقتی یک دوترون توسط هسته 7Li دستگیر می شود، هسته 9Be به دست می آید که بلافاصله به ۲ ذره آلفا و یک نوترون تجزیه می شود.
همانطور که آزمایش ها نشان می دهد، هنگام بمباران ایزوتوپ های لیتیوم، طیف گسترده ای از واکنش های هسته ای را می توان مشاهده کرد. این مقدار قابل توجهی انرژی آزاد می کند.
دریافت
جداسازی ایزوتوپ لیتیوم را می توان به روش های مختلفی انجام داد. رایج ترین آنها عبارتند از:
- جداسازی در جریان بخار. برای انجام این کار، یک دیافراگم در یک ظرف استوانه ای در امتداد محور آن قرار می گیرد. مخلوط گازی ایزوتوپ ها به سمت بخار کمکی تغذیه می شود. برخی از مولکول های غنی شده در ایزوتوپ نور در سمت چپ دستگاه تجمع می یابند. این به دلیل این واقعیت است که مولکول های نور دارای سرعت بالایی از انتشار در دیافراگم هستند. آنها همراه با جریان بخار از نازل بالایی تخلیه می شوند.
- فرایند انتشار حرارتی. در این فناوری نیز مانند فناوری قبلی از خاصیت سرعت های مختلف برای حرکت مولکول ها استفاده می شود. فرآیند جداسازی در ستون هایی انجام می شود که دیواره های آنها خنک می شود. در داخل آنها یک سیم قرمز داغ در مرکز کشیده شده است. در نتیجه همرفت طبیعی، 2 جریان ایجاد می شود - جریان گرم در امتداد حرکت می کندسیم بالا، و سرد - در امتداد دیوارها پایین. ایزوتوپ های سبک در قسمت بالایی و ایزوتوپ های سنگین در قسمت پایین تجمع و حذف می شوند.
- سانتریفیوژ گاز. مخلوطی از ایزوتوپ‌ها در یک سانتریفیوژ کار می‌کنند که یک استوانه جدار نازک است که با سرعت بالا می‌چرخد. ایزوتوپ‌های سنگین‌تر با نیروی گریز از مرکز به دیواره‌های سانتریفیوژ پرتاب می‌شوند. به دلیل حرکت بخار، آنها به سمت پایین کشیده می شوند و ایزوتوپ های سبک از قسمت مرکزی دستگاه به بالا می روند.
- روش شیمیایی. واکنش شیمیایی در 2 معرف که در حالت های فازی مختلف هستند انجام می شود که امکان جداسازی جریان های ایزوتوپی را فراهم می کند. انواع مختلفی از این فناوری وجود دارد، زمانی که ایزوتوپ های خاصی توسط لیزر یونیزه می شوند و سپس توسط یک میدان مغناطیسی از هم جدا می شوند.
- الکترولیز نمکهای کلرید. این روش برای ایزوتوپ های لیتیوم فقط در شرایط آزمایشگاهی استفاده می شود.
برنامه
عملاً تمام کاربردهای لیتیوم دقیقاً با ایزوتوپ های آن مرتبط است. یک تغییر عنصر با عدد جرمی 6 برای اهداف زیر استفاده می شود:
- به عنوان منبع تریتیوم (سوخت هسته ای در راکتورها)؛
- برای سنتز صنعتی ایزوتوپ های تریتیوم؛
- برای ساخت سلاح های هسته ای.
ایزوتوپ 7Li در فیلدهای زیر استفاده می شود:
- برای تولید باتری های قابل شارژ؛
- در پزشکی - برای ساخت داروهای ضد افسردگی و آرام بخش؛
- در راکتورها: به عنوان خنک کننده، برای حفظ شرایط عملیاتی آبراکتورهای قدرت نیروگاه های هسته ای، برای تمیز کردن مایع خنک کننده در دمینرالایزرهای مدار اولیه راکتورهای هسته ای.
دامنه ایزوتوپ های لیتیوم گسترده تر می شود. در این راستا، یکی از مشکلات مبرم صنعت به دست آوردن ماده ای با خلوص بالا از جمله محصولات تک ایزوتوپی است.
در سال 2011 تولید باتری های تریتیوم نیز راه اندازی شد که از تابش لیتیوم با ایزوتوپ های لیتیوم به دست می آیند. آنها در جاهایی استفاده می شوند که جریان کم و عمر طولانی مورد نیاز است (پیس میکرها و سایر ایمپلنت ها، سنسورهای سوراخ و سایر تجهیزات). نیمه عمر تریتیوم و در نتیجه عمر باتری 12 سال است.
