Isotopes de lithium - Isotopes of lithium

Principaux isotopes du lithium   ( 3 Li)
Isotope Carie
abondance demi-vie ( t 1/2 ) mode produit
6 Li [0,0190,078 ] stable
7 Li [0,9220,981 ] stable
Poids atomique standard A r, standard (Li) [6.9386.997 ] conventionnel : 6,94

Le lithium naturel ( 3 Li) est composé de deux isotopes stables , le lithium-6 et le lithium-7, ce dernier étant beaucoup plus abondant : environ 92,5% des atomes . Les deux isotopes naturels ont une énergie de liaison nucléaire par nucléon étonnamment faible (~5,3 MeV ) par rapport aux éléments adjacents plus légers et plus lourds, l' hélium (~7,1 MeV) et le béryllium (~6,5 MeV). Le radio - isotope du lithium ayant la durée de vie la plus longue est le lithium-8, dont la demi-vie n'est que de 839,4 millisecondes . Le lithium-9 a une demi-vie de 178,3 millisecondes et le lithium-11 a une demi-vie d'environ 8,75 millisecondes. Tous les isotopes restants du lithium ont des demi-vies inférieures à 10 nanosecondes . L'isotope connu du lithium dont la durée de vie est la plus courte est le lithium-4, qui se désintègre par émission de protons avec une demi-vie d'environ9,1 × 10 −23 secondes, bien que la demi-vie du lithium-3 reste à déterminer et soit probablement beaucoup plus courte, comme l'hélium-2 (diproton) qui subit une émission de protons dans10 -9 s.

Le lithium-7 et le lithium-6 sont deux des nucléides primordiaux qui ont été produits dans le Big Bang , le lithium-7 représentant 10 -9 de tous les nucléides primordiaux et le lithium-6 environ 10 -13 . Un faible pourcentage de lithium-6 est également connu pour être produit par des réactions nucléaires dans certaines étoiles. Les isotopes du lithium se séparent quelque peu au cours de divers processus géologiques , y compris la formation minérale (précipitation chimique et échange d'ions ). Ions lithium remplacer le magnésium ou le fer dans certains endroits octaédriques dans les argiles , et au lithium-6 est parfois préféré au lithium-7. Cela se traduit par un certain enrichissement du lithium-6 dans les processus géologiques.

Le lithium-6 est un isotope important en physique nucléaire car lorsqu'il est bombardé de neutrons , du tritium est produit.

Un graphique montrant les abondances des isotopes naturels du lithium.

Liste des isotopes

Nuclide
Z N Masse isotopique ( Da )
Demi-vie

[ largeur de résonance ]

Mode de décomposition


Isotope fille

Spin et
parité
Abondance naturelle (fraction molaire)
Énergie d'excitation Proportion normale Plage de variation
3
Li
3 0 3.030 775 # p 2
Il
4
Li
3 1 4.027 19 (23) 91(9) × 10 −24  s
[6,03 MeV ]
p 3
Il
2−
5
Li
3 2 5.012 54 (5) 370(30) × 10 −24  s
[~1,5 MeV ]
p 4
Il
3/2−
6
Li
3 3 6,015 122 8874 (15) Stable 1+ 0,0759(4) 0,072 250,077 14
6m
Li
3 562 .88(10) keV 5,6(14) × 10 −17  s CE 6
Li
0+
7
Li
3 4 7.016 003 437 (5) Stable 3/2− 0,9241(4) 0,922 750,927 86
8
Li
3 5 8,022 486 25 (5) 839,40(36) ms β - 8
Être
2+
9
Li
3 6 9.026 790 19 (20) 178,3(4) ms β - , n (50,8%) 8
Être
3/2−
β - (49,2%) 9
Être
dix
Li
3 7 10,035 483 (14) 2,0(5) × 10 −21  s
[1,2(3) MeV ]
m 9
Li
(1−, 2−)
10m1
Li
200(40) keV 3,7(15) × 10 −21  s 1+
10m2
Li
480(40) keV 1,35(24) × 10 −21  s 2+
11
Li
3 8 11.043 7236 (7) 8,75 (14) ms β - , n (86,3%) dix
Être
3/2−
β - (5,978%) 11
Être
β - , 2N (4,1%) 9
Être
β - , 3n (1,9%) 8
Être
β - , α (1,7%) 7
Il
, 4
Il
β , fission (.009%) 8
Li
, 3
H
β , fission (.013%) 9
Li
, 2
H
12
Li
3 9 12.052 61 (3) <10 secondes m 11
Li
13
Li
3 dix 13.061 17 (8) 3,3(12) × 10 −21  s 2n 11
Li
3/2−#
Cet en-tête et pied de page de tableau :
  1. ^ m Li – Isomère nucléaire excité.
  2. ^ ( ) – L'incertitude (1 σ ) est donnée sous forme concise entre parenthèses après les derniers chiffres correspondants.
  3. ^ # – Masse atomique marquée # : valeur et incertitude dérivées non pas de données purement expérimentales, mais au moins en partie des tendances de la surface de masse (TMS).
  4. ^ Modes de décomposition :
    CE: Transition isométrique
    n : Émission de neutrons
    p : Émission de protons
  5. ^ Symbole en gras en tant que fille – Le produit fille est stable.
  6. ^ ( ) valeur de rotation – Indique une rotation avec des arguments d'affectation faibles.
  7. ^ # – Les valeurs marquées # ne sont pas purement dérivées de données expérimentales, mais au moins en partie des tendances des nucléides voisins (TNN).
  8. ^ L'un des rares noyaux stables impairs-impairs
  9. ^ Produit dans la nucléosynthèse du Big Bang et par spallation des rayons cosmiques
  10. ^ Se désintègre immédiatement en deux particules pour une réaction nette de 8 Li → 2 4 He + e
  11. ^ Se désintègre immédiatement en deux particules pour une réaction nette de 9 Li → 2 4 He + 1 n + e
  12. ^ Possède 2neutrons halo
  13. ^ Se désintègre immédiatement en deuxatomes de 4 He pour une réaction nette de 11 Li → 2 4 He + 3 1 n + e
  • Dans le lithium appauvri (avec le 6 Li supprimé), l'abondance relative du lithium-6 peut être réduite à seulement 20 pour cent de sa valeur normale, donnant la masse atomique mesurée allant de 6,94 Da à 7,00 Da.

Séparation isotopique

Séparation Colex

Le lithium-6 a une plus grande affinité que le lithium-7 pour l' élément mercure . Lorsqu'un amalgame de lithium et de mercure est ajouté à des solutions contenant de l'hydroxyde de lithium , le lithium-6 devient plus concentré dans l'amalgame et le lithium-7 davantage dans la solution d'hydroxyde.

Le colex ( col UMN ex changement) Mode de séparation fait usage de ce en faisant passer un contre-courant de l' amalgame et de l' hydroxyde à travers une cascade d'étages. La fraction du lithium-6 est préférentiellement drainée par le mercure, mais le lithium-7 s'écoule majoritairement avec l'hydroxyde. En pied de colonne, le lithium (enrichi en lithium-6) est séparé de l'amalgame, et le mercure est récupéré pour être réutilisé avec de la matière première fraîche . Au sommet, la solution d'hydroxyde de lithium est électrolysée pour libérer la fraction lithium-7. L'enrichissement obtenu avec cette méthode varie avec la longueur de la colonne et la vitesse d'écoulement.

Distillation sous vide

Le lithium est chauffé à une température d'environ 550  °C sous vide . Les atomes de lithium s'évaporent de la surface du liquide et sont collectés sur une surface froide positionnée à quelques centimètres au-dessus de la surface du liquide. Les atomes de lithium-6 ayant un libre parcours moyen plus important , ils sont collectés préférentiellement.

L'efficacité de séparation théorique est d'environ 8,0 pour cent. Un procédé à plusieurs étapes peut être utilisé pour obtenir des degrés de séparation plus élevés.

Lithium-3

Le lithium-3 , également connu sous le nom de triproton , serait composé de trois protons et de zéro neutron . Il a été signalé comme proton non lié en 1969, mais ce résultat n'a pas été accepté et son existence n'est donc pas prouvée. Aucune autre résonance attribuable au 3 Li n'a été signalée, et on s'attend à ce qu'il se désintègre par émission rapide de protons (un peu comme le diproton , 2 He).

Lithium-4

Le lithium-4 contient trois protons et un neutron. C'est l'isotope connu du lithium dont la durée de vie est la plus courte, avec une demi-vie d'environ 91 yoctosecondes (9,1 × 10 −23 secondes) et se désintègre par émission de protons en hélium-3 . Le lithium-4 peut être formé comme intermédiaire dans certaines réactions de fusion nucléaire .

Lithium-6

Le lithium-6 est précieux comme matériau source pour la production de tritium (hydrogène-3) et comme absorbeur de neutrons dans les réactions de fusion nucléaire. Le lithium naturel contient environ 7,5% de lithium-6, le reste étant du lithium-7. De grandes quantités de lithium-6 ont été séparées pour être placées dans des bombes à hydrogène . La séparation du lithium-6 a désormais cessé dans les grandes puissances thermonucléaires , mais il en reste des stocks dans ces pays.

La réaction de fusion DT (entre le deutérium et le tritium) a été étudiée comme une source d'énergie possible, car c'est actuellement la seule réaction de fusion avec une production d'énergie suffisante pour une mise en œuvre réalisable. Dans ce scénario, il faudrait du lithium-6 enrichi pour générer les quantités nécessaires de tritium. L'abondance de lithium-6 est un facteur limitant potentiel dans ce scénario, bien que d'autres sources de lithium (telles que l'eau de mer) puissent également être utilisables.

Le lithium-6 est l'un des trois isotopes stables avec un spin de 1, les autres étant le deutérium et l' azote-14 , et possède le plus petit moment quadripolaire électrique nucléaire non nul de tous les noyaux stables.

Lithium-7

Le lithium-7 est de loin l'isotope le plus abondant, représentant environ 92,5% de tout le lithium naturel. Un atome de lithium-7 contient trois protons, quatre neutrons et trois électrons. En raison de ses propriétés nucléaires, le lithium-7 est moins répandu que l' hélium , le béryllium , le carbone , l' azote ou l' oxygène dans l'Univers, même si ces quatre derniers ont tous des noyaux plus lourds .

La production industrielle de lithium-6 aboutit à un déchet enrichi en lithium-7 et appauvri en lithium-6. Ce matériau a été vendu dans le commerce et une partie a été rejetée dans l'environnement. Une abondance relative de lithium-7, jusqu'à 35 % supérieure à la valeur naturelle, a été mesurée dans les eaux souterraines d'un aquifère carbonaté sous le ruisseau West Valley en Pennsylvanie , en aval d'une usine de traitement du lithium. Dans le lithium appauvri, l'abondance relative du lithium-6 peut être réduite jusqu'à 20 % de sa valeur nominale, ce qui donne une masse atomique moyenne pour le lithium mis au rebut pouvant aller d'environ 6,94  Da à environ 7,00 Da. Par conséquent, la composition isotopique du lithium peut varier quelque peu en fonction de sa source. Une masse atomique précise pour des échantillons de lithium ne peut pas être mesurée pour toutes les sources de lithium.

Le lithium-7 est utilisé comme partie du fluorure de lithium fondu dans les réacteurs à sels fondus : les réacteurs nucléaires à fluorure liquide . La grande section efficace d'absorption des neutrons du lithium-6 (environ 940 granges ) par rapport à la très petite section efficace des neutrons du lithium-7 (environ 45 millibarns ) fait de la séparation élevée du lithium-7 du lithium naturel une forte exigence pour l'utilisation possible dans les réacteurs au fluorure de lithium.

L'hydroxyde de lithium-7 est utilisé pour alcaliniser le liquide de refroidissement dans les réacteurs à eau sous pression .

Du lithium-7 a été produit, pendant quelques picosecondes, qui contient une particule lambda dans son noyau, alors qu'un noyau atomique est généralement supposé ne contenir que des neutrons et des protons.

Lithium-11

On pense que le lithium-11 possède un noyau de halo composé d'un noyau de trois protons et de huit neutrons, dont deux sont dans un halo nucléaire. Il a une section transversale exceptionnellement grande de 3,16 fm 2 , comparable à celle de 208 Pb . Il se désintègre par émission bêta en 11 Be , qui se désintègre ensuite de plusieurs manières (voir tableau ci-dessous).

Lithium-12

Le lithium-12 a une demi-vie considérablement plus courte d'environ 10 nanosecondes. Il se désintègre par émission de neutrons en 11 Li, qui se désintègre comme mentionné ci-dessus.

Chaînes de décomposition

Alors que la désintégration β en isotopes du béryllium (souvent associée à une émission de neutrons simples ou multiples) est prédominante dans les isotopes plus lourds du lithium, 10 Li et 12 Li se désintègrent par émission de neutrons en 9 Li et 11 Li respectivement en raison de leurs positions au-delà de la ligne de goutte à goutte à neutrons . Il a également été observé que le lithium-11 se désintègre via de multiples formes de fission. Les isotopes plus légers que 6 Li se désintègrent exclusivement par émission de protons, car ils sont au-delà de la ligne d'égouttement des protons. Les modes de désintégration des deux isomères du 10 Li sont inconnus.

Voir également

Les références

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Liens externes

Lewis, GN ; MacDonald, RT (1936). « La séparation des isotopes du lithium ». Journal de l'American Chemical Society . 58 (12) : 2519-2524. doi : 10.1021/ja01303a045 .