ลิเธียมไอโซโทปมีการใช้กันอย่างแพร่หลายไม่เพียงแต่ในอุตสาหกรรมนิวเคลียร์ แต่ยังรวมถึงในการผลิตแบตเตอรี่แบบชาร์จไฟได้อีกด้วย มีหลายประเภทซึ่งสองประเภทพบได้ในธรรมชาติ ปฏิกิริยานิวเคลียร์กับไอโซโทปจะมาพร้อมกับการปลดปล่อยรังสีจำนวนมาก ซึ่งเป็นทิศทางที่สดใสในอุตสาหกรรมพลังงาน
คำจำกัดความ
ไอโซโทปของลิเธียมเป็นอะตอมที่หลากหลายขององค์ประกอบทางเคมีที่กำหนด พวกมันแตกต่างกันในจำนวนของอนุภาคมูลฐานที่มีประจุเป็นกลาง (นิวตรอน) วิทยาศาสตร์สมัยใหม่รู้จักไอโซโทปดังกล่าวถึง 9 ไอโซโทป โดยเจ็ดไอโซโทปเป็นไอโซโทปเทียม โดยมีมวลอะตอมตั้งแต่ 4 ถึง 12
ในจำนวนนี้ เสถียรที่สุดคือ 8Li ครึ่งชีวิตของมันคือ 0.8403 วินาที นิวไคลด์ไอโซเมอร์นิวเคลียร์ 2 ประเภท (นิวเคลียสของอะตอมที่ต่างกันไม่เพียงแค่จำนวนนิวตรอน แต่ยังรวมถึงโปรตอนด้วย) ก็ถูกระบุเช่นกัน - 10m1Li และ 10m2 หลี่. ต่างกันในโครงสร้างอะตอมในอวกาศและในสมบัติ
อยู่ในธรรมชาติ
ในสภาพธรรมชาติ มีไอโซโทปเสถียรเพียง 2 ไอโซโทป - มีมวล 6 และ 7 หน่วย a. กิน(6Li, 7Li). ที่พบมากที่สุดคือไอโซโทปที่สองของลิเธียม ลิเธียมในระบบธาตุของ Mendeleev มีหมายเลขซีเรียล 3 และเลขมวลหลักคือ 7 au e. m. องค์ประกอบนี้ค่อนข้างหายากในเปลือกโลก การสกัดและการแปรรูปมีค่าใช้จ่ายสูง
วัตถุดิบหลักในการรับลิเธียมจากโลหะคือคาร์บอเนต (หรือลิเธียมคาร์บอเนต) ซึ่งจะถูกแปลงเป็นคลอไรด์ แล้วอิเล็กโทรไลต์ในส่วนผสมที่มี KCl หรือ BaCl คาร์บอเนตถูกแยกออกจากวัสดุธรรมชาติ (lepidolite, spodumene pyroxene) โดยการเผาผนึกด้วย CaO หรือ CaCO3.
ในตัวอย่าง อัตราส่วนของไอโซโทปลิเธียมอาจแตกต่างกันอย่างมาก สิ่งนี้เกิดขึ้นจากการแยกส่วนตามธรรมชาติหรือประดิษฐ์ ข้อเท็จจริงนี้นำมาพิจารณาเมื่อทำการทดลองในห้องปฏิบัติการที่แม่นยำ
คุณสมบัติ
ลิเธียมไอโซโทป 6Li และ 7Li มีคุณสมบัติทางนิวเคลียร์แตกต่างกัน: ความน่าจะเป็นของปฏิกิริยาของอนุภาคมูลฐานของนิวเคลียสอะตอมและปฏิกิริยา สินค้า. ดังนั้นขอบเขตของพวกเขาจึงแตกต่างกัน
เมื่อไอโซโทปลิเธียม 6Li ถูกทิ้งระเบิดด้วยนิวตรอนช้า จะผลิตไฮโดรเจนหนักมาก (ทริเทียม) ในกรณีนี้ อนุภาคแอลฟาจะถูกแยกออกและเกิดฮีเลียมขึ้น อนุภาคถูกขับออกไปในทิศทางตรงกันข้าม ปฏิกิริยานิวเคลียร์นี้แสดงในรูปด้านล่าง
คุณสมบัติของไอโซโทปนี้ใช้เป็นทางเลือกแทนไอโซโทปในเครื่องปฏิกรณ์ฟิวชันและระเบิด เนื่องจากไอโซโทปมีขนาดเล็กกว่าความมั่นคง
ลิเธียมไอโซโทป 7Li ในรูปของเหลวมีความร้อนจำเพาะสูงและภาคตัดขวางที่มีประสิทธิภาพนิวเคลียร์ต่ำ ในโลหะผสมที่มีโซเดียม ซีเซียม และเบริลเลียมฟลูออไรด์ ใช้เป็นสารหล่อเย็น เช่นเดียวกับตัวทำละลายสำหรับฟลูออไรด์ U และ Th ในเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์เกลือเหลว
เค้าโครงหลัก
การจัดเรียงตัวของลิเธียมอะตอมในธรรมชาติ ได้แก่ โปรตอน 3 ตัวและนิวตรอน 4 ตัว ส่วนที่เหลือมี 3 อนุภาคดังกล่าว เลย์เอาต์ของนิวเคลียสของไอโซโทปลิเธียมแสดงในรูปด้านล่าง (a และ b ตามลำดับ)
ในการสร้างนิวเคลียสของอะตอม Li จากนิวเคลียสของอะตอมฮีเลียม จำเป็นต้องเติมโปรตอน 1 ตัวและนิวตรอน 1 ตัวและเพียงพอ อนุภาคเหล่านี้เชื่อมต่อแรงแม่เหล็กของพวกมัน นิวตรอนมีสนามแม่เหล็กเชิงซ้อน ซึ่งประกอบด้วย 4 ขั้ว ดังนั้นในรูปของไอโซโทปแรก นิวตรอนเฉลี่ยจะมีหน้าสัมผัสที่ถูกครอบครอง 3 ตัว และอาจมีอิสระอีกหนึ่งขั้ว
พลังงานยึดเหนี่ยวขั้นต่ำของไอโซโทปลิเธียม 7Li ที่ต้องแยกนิวเคลียสของธาตุออกเป็นนิวคลีออนคือ 37.9 MeV ถูกกำหนดโดยวิธีการคำนวณที่ให้ไว้ด้านล่าง
ในสูตรเหล่านี้ ตัวแปรและค่าคงที่มีความหมายดังต่อไปนี้:
- n – จำนวนนิวตรอน;
- m – มวลนิวตรอน;
- p – จำนวนโปรตอน;
- dM คือความแตกต่างระหว่างมวลของอนุภาคที่ประกอบเป็นนิวเคลียสและมวลของนิวเคลียสของไอโซโทปลิเธียม
- 931 meV คือพลังงานที่สัมพันธ์กับ 1 au อ.
นิวเคลียร์การเปลี่ยนแปลง
ไอโซโทปของธาตุนี้สามารถมีนิวตรอนพิเศษได้มากถึง 5 นิวเคลียสในนิวเคลียส อย่างไรก็ตาม อายุการใช้งานของลิเธียมชนิดนี้ไม่เกินสองสามมิลลิวินาที เมื่อจับโปรตอน ไอโซโทป 6Li จะกลายเป็น 7Be ซึ่งสลายตัวเป็นอนุภาคแอลฟาและไอโซโทปฮีเลียม 3 เขา เมื่อโดนดิวเทอรอนถล่ม 8ปรากฏขึ้นอีกครั้ง เมื่อดิวเทอรอนถูกจับโดยนิวเคลียส 7Li นิวเคลียสจะได้รับ 9Be ซึ่งจะสลายตัวเป็นอนุภาคแอลฟา 2 ตัวและนิวตรอน 1 ตัว
จากการทดลองแสดงให้เห็นว่า เมื่อทิ้งระเบิดลิเธียมไอโซโทป จะสังเกตเห็นปฏิกิริยานิวเคลียร์ที่หลากหลาย เป็นการปลดปล่อยพลังงานจำนวนมาก
รับ
การแยกลิเธียมไอโซโทปสามารถทำได้หลายวิธี ที่พบบ่อยที่สุดคือ:
- แยกทางในกระแสไอน้ำ ในการทำเช่นนี้ไดอะแฟรมจะถูกวางในภาชนะทรงกระบอกตามแนวแกน ส่วนผสมที่เป็นก๊าซของไอโซโทปจะถูกป้อนเข้าสู่ไอน้ำเสริม โมเลกุลบางตัวที่อุดมไปด้วยไอโซโทปแสงจะสะสมอยู่ทางด้านซ้ายของอุปกรณ์ เนื่องจากโมเลกุลของแสงมีอัตราการแพร่ผ่านไดอะแฟรมสูง พวกมันจะถูกปล่อยออกมาพร้อมกับกระแสไอน้ำจากหัวฉีดด้านบน
- กระบวนการเทอร์โมดิฟฟิวชัน. ในเทคโนโลยีนี้เช่นเดียวกับในเทคโนโลยีก่อนหน้านี้จะใช้คุณสมบัติของความเร็วที่แตกต่างกันสำหรับโมเลกุลที่เคลื่อนที่ กระบวนการแยกจะเกิดขึ้นในเสาที่ผนังถูกทำให้เย็นลง ข้างในนั้นมีลวดร้อนแดงยืดอยู่ตรงกลาง อันเป็นผลมาจากการพาความร้อนตามธรรมชาติ 2 กระแสเกิดขึ้น - กระแสที่อบอุ่นเคลื่อนที่ตามสายไฟขึ้นและเย็น - ตามผนังด้านล่าง ไอโซโทปเบาจะสะสมและกำจัดที่ส่วนบน และไอโซโทปหนักในส่วนล่าง
- หมุนเหวี่ยงแก๊ส. ไอโซโทปผสมกันในเครื่องหมุนเหวี่ยง ซึ่งเป็นทรงกระบอกผนังบางที่หมุนด้วยความเร็วสูง ไอโซโทปที่หนักกว่านั้นถูกโยนด้วยแรงเหวี่ยงหนีศูนย์กับผนังของเครื่องหมุนเหวี่ยง เนื่องจากการเคลื่อนที่ของไอน้ำ พวกมันจะถูกพัดพาลงมา และไอโซโทปเบาจากส่วนกลางของอุปกรณ์ - ขึ้น
- วิธีเคมี ปฏิกิริยาเคมีเกิดขึ้นในรีเอเจนต์ 2 ตัวที่อยู่ในสถานะเฟสต่างกัน ซึ่งทำให้แยกกระแสไอโซโทปได้ เทคโนโลยีนี้มีหลายประเภท เมื่อไอโซโทปบางตัวแตกตัวเป็นไอออนด้วยเลเซอร์แล้วคั่นด้วยสนามแม่เหล็ก
- อิเล็กโทรไลซิสของเกลือคลอไรด์. วิธีนี้ใช้สำหรับลิเธียมไอโซโทปในห้องปฏิบัติการเท่านั้น
แอปพลิเคชัน
ในทางปฏิบัติทุกการใช้งานของลิเธียมมีความเกี่ยวข้องกับไอโซโทปของมันอย่างแม่นยำ รูปแบบขององค์ประกอบที่มีเลขมวล 6 ใช้เพื่อวัตถุประสงค์ต่อไปนี้:
- เป็นแหล่งของไอโซโทป (เชื้อเพลิงนิวเคลียร์ในเครื่องปฏิกรณ์);
- สำหรับการสังเคราะห์ทางอุตสาหกรรมของไอโซโทปไอโซโทป;
- สำหรับทำอาวุธแสนสาหัส
ไอโซโทป 7Li ถูกใช้ในฟิลด์ต่อไปนี้:
- สำหรับการผลิตแบตเตอรี่แบบชาร์จไฟได้;
- ในยา - สำหรับการผลิตยากล่อมประสาทและยากล่อมประสาท
- ในเครื่องปฏิกรณ์: เป็นสารหล่อเย็น เพื่อรักษาสภาพการทำงานของน้ำเครื่องปฏิกรณ์พลังงานของโรงไฟฟ้านิวเคลียร์ เพื่อทำความสะอาดสารหล่อเย็นในตัวแยกแร่ธาตุของวงจรหลักของเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์
ขอบเขตของไอโซโทปลิเธียมกว้างขึ้น ในเรื่องนี้ ปัญหาเร่งด่วนประการหนึ่งของอุตสาหกรรมคือการได้รับสารที่มีความบริสุทธิ์สูง รวมทั้งผลิตภัณฑ์ที่มีไอโซโทปแบบโมโน
ในปี 2554 ได้มีการเปิดตัวการผลิตแบตเตอรี่ทริเทียม ซึ่งได้มาจากการฉายรังสีลิเธียมด้วยไอโซโทปลิเธียม ใช้ในกรณีที่ต้องใช้กระแสไฟต่ำและอายุการใช้งานยาวนาน (เครื่องกระตุ้นหัวใจและรากฟันเทียมอื่นๆ เซ็นเซอร์ในหลุมเจาะ และอุปกรณ์อื่นๆ) ครึ่งชีวิตของไอโซโทปและอายุการใช้งานของแบตเตอรี่คือ 12 ปี