Litija izotopus plaši izmanto ne tikai kodolrūpniecībā, bet arī uzlādējamo bateriju ražošanā. Ir vairāki to veidi, no kuriem divi ir sastopami dabā. Kodolreakcijas ar izotopiem pavada liela starojuma daudzuma izdalīšanās, kas ir daudzsološs virziens enerģētikas nozarē.
Definīcija
Litija izotopi ir noteikta ķīmiskā elementa atomu šķirnes. Tie atšķiras viens no otra ar neitrāli lādētu elementārdaļiņu (neitronu) skaitu. Mūsdienu zinātne zina 9 šādus izotopus, no kuriem septiņi ir mākslīgi, ar atomu masu no 4 līdz 12.
No tiem visstabilākais ir 8Li. Tā pussabrukšanas periods ir 0,8403 sekundes. Ir identificēti arī 2 veidu kodolizomēru nuklīdi (atomu kodoli, kas atšķiras ne tikai ar neitronu skaitu, bet arī protoniem) - 10m1Li un 10m2 Li. Tie atšķiras pēc atomu struktūras telpā un pēc īpašībām.
Būt dabā
Dabiskos apstākļos ir tikai 2 stabili izotopi - ar masu 6 un 7 vienības a. ēst(6Li, 7Li). Visizplatītākais no tiem ir litija otrais izotops. Litijam Mendeļejeva periodiskajā sistēmā ir sērijas numurs 3, un tā galvenais masas numurs ir 7 a.u. e.m. Šis elements zemes garozā ir diezgan reti sastopams. Tā ieguve un apstrāde ir dārga.
Galvenā izejviela metāliskā litija iegūšanai ir tā karbonāts (vai litija karbonāts), ko pārvērš hlorīdā un pēc tam elektrolizē maisījumā ar KCl vai BaCl. Karbonātu izdala no dabīgiem materiāliem (lepidolīts, spodumēna piroksēns), saķepinot ar CaO vai CaCO3.
Paraugos litija izotopu attiecība var ievērojami atšķirties. Tas notiek dabiskas vai mākslīgas frakcionēšanas rezultātā. Šis fakts tiek ņemts vērā, veicot precīzus laboratorijas eksperimentus.
Funkcijas
Litija izotopi 6Li un 7Li atšķiras pēc kodola īpašībām: atoma kodola elementārdaļiņu mijiedarbības varbūtības un reakcijas produktiem. Tāpēc arī to darbības joma ir atšķirīga.
Kad litija izotops 6Li tiek bombardēts ar lēniem neitroniem, rodas supersmags ūdeņradis (tritijs). Šajā gadījumā alfa daļiņas tiek atdalītas un veidojas hēlijs. Daļiņas tiek izmestas pretējos virzienos. Šī kodolreakcija ir parādīta attēlā zemāk.
Šo izotopa īpašību izmanto kā alternatīvu tritija aizstāšanai kodolsintēzes reaktoros un bumbās, jo tritijam ir raksturīgs mazāksstabilitāte.
Litija izotops 7Litijam šķidrā veidā ir augsts īpatnējais siltums un zems kodolefektīvais šķērsgriezums. Sakausējumā ar nātrija, cēzija un berilija fluorīdu to izmanto kā dzesēšanas šķidrumu, kā arī šķīdinātāju U un Th fluorīdiem šķidrā sāls kodolreaktoros.
Pamata izkārtojums
Visbiežāk sastopamais litija atomu izvietojums dabā ietver 3 protonus un 4 neitronus. Pārējiem ir 3 šādas daļiņas. Litija izotopu kodolu izkārtojums ir parādīts attēlā zemāk (attiecīgi a un b).
Lai no hēlija atoma kodola izveidotu Li atoma kodolu, ir nepieciešams un pietiekami pievienot 1 protonu un 1 neitronu. Šīs daļiņas savieno savus magnētiskos spēkus. Neitroniem ir sarežģīts magnētiskais lauks, kas sastāv no 4 poliem, tāpēc attēlā pirmajam izotopam vidējam neitronam ir trīs aizņemti kontakti un viens potenciāli brīvs.
Litija izotopa 7Li minimālā saistīšanas enerģija, kas nepieciešama, lai elementa kodolu sadalītu nukleonos, ir 37,9 MeV. To nosaka pēc tālāk norādītās aprēķina metodes.
Šajās formulās mainīgajiem un konstantēm ir šāda nozīme:
- n – neitronu skaits;
- m – neitronu masa;
- p – protonu skaits;
- dM ir starpība starp daļiņu masu, kas veido kodolu, un litija izotopa kodola masu;
- 931 meV ir enerģija, kas atbilst 1 a.u. e.m.
Kodolenerģijapārvērtības
Šī elementa izotopiem kodolā var būt līdz 5 papildu neitroniem. Tomēr šāda veida litija kalpošanas laiks nepārsniedz dažas milisekundes. Kad protons tiek notverts, izotops 6Li pārvēršas par 7Be, kas pēc tam sadalās par alfa daļiņu un hēlija izotopu 3 Viņš. Kad to bombardē deuterons, 8Be atkal parādās. Kad deuteronu uztver kodols 7Li, tiek iegūts kodols 9Be, kas nekavējoties sadalās 2 alfa daļiņās un neitronā.
Kā liecina eksperimenti, bombardējot litija izotopus, var novērot dažādas kodolreakcijas. Tas atbrīvo ievērojamu daudzumu enerģijas.
Saņemt
Litija izotopu atdalīšanu var veikt vairākos veidos. Visizplatītākie ir:
- Atdalīšana tvaika plūsmā. Lai to izdarītu, cilindriskā traukā gar tās asi ievieto diafragmu. Gāzveida izotopu maisījums tiek padots uz palīgtvaiku. Dažas molekulas, kas bagātinātas ar gaismas izotopu, uzkrājas aparāta kreisajā pusē. Tas ir saistīts ar faktu, ka gaismas molekulām ir augsts difūzijas ātrums caur diafragmu. Tie tiek izvadīti kopā ar tvaika plūsmu no augšējās sprauslas.
- Termodifūzijas process. Šajā tehnoloģijā, tāpat kā iepriekšējā, tiek izmantota dažādu ātrumu īpašība molekulu pārvietošanai. Atdalīšanas process notiek kolonnās, kuru sienas tiek atdzesētas. To iekšpusē centrā ir izstiepts sarkanīgi karsts vads. Dabiskās konvekcijas rezultātā rodas 2 plūsmas - siltā virzās līdzivadi uz augšu, un auksti - gar sienām uz leju. Vieglie izotopi tiek uzkrāti un noņemti augšējā daļā, bet smagie izotopi - apakšējā daļā.
- Gāzes centrifugēšana. Izotopu maisījumu darbina centrifūgā, kas ir plānsienu cilindrs, kas griežas lielā ātrumā. Smagāki izotopi tiek izmesti ar centrbēdzes spēku pret centrifūgas sienām. Tvaika kustības dēļ tie tiek novadīti uz leju, bet gaismas izotopi no ierīces centrālās daļas - uz augšu.
- Ķīmiskā metode. Ķīmiskā reakcija notiek 2 reaģentos, kas atrodas dažādos fāzes stāvokļos, kas ļauj atdalīt izotopu plūsmas. Ir šīs tehnoloģijas veidi, kad noteiktus izotopus jonizē ar lāzeru un pēc tam atdala ar magnētisko lauku.
- Hlorīda sāļu elektrolīze. Šo metodi litija izotopiem izmanto tikai laboratorijas apstākļos.
Pieteikums
Praktiski visi litija lietojumi ir saistīti tieši ar tā izotopiem. Elementa variants ar masas skaitli 6 tiek izmantots šādiem mērķiem:
- kā tritija avots (kodoldegviela reaktoros);
- tritija izotopu rūpnieciskai sintēzei;
- termokodolieroču izgatavošanai.
Izotops 7Li tiek izmantots šādos laukos:
- uzlādējamo bateriju ražošanai;
- medicīnā - antidepresantu un trankvilizatoru ražošanai;
- reaktoros: kā dzesēšanas šķidrums, lai uzturētu ūdens darbības apstākļusatomelektrostaciju spēka reaktori, lai attīrītu dzesēšanas šķidrumu kodolreaktoru primārās ķēdes demineralizatoros.
Litija izotopu klāsts kļūst plašāks. Šajā sakarā viena no nozares aktuālākajām problēmām ir iegūt augstas tīrības pakāpes vielu, tostarp monoizotopu produktus.
2011. gadā tika uzsākta arī tritija bateriju ražošana, kuras iegūst, litiju apstarojot ar litija izotopiem. Tos izmanto vietās, kur nepieciešama zema strāva un ilgs kalpošanas laiks (elektrokardiostimulatori un citi implanti, caurumu sensori un cits aprīkojums). Tritija pussabrukšanas periods un līdz ar to arī akumulatora darbības laiks ir 12 gadi.
