تستخدم نظائر الليثيوم على نطاق واسع ليس فقط في الصناعة النووية ، ولكن أيضًا في إنتاج البطاريات القابلة لإعادة الشحن. هناك عدة أنواع ، اثنان منها موجودان في الطبيعة. التفاعلات النووية مع النظائر مصحوبة بإطلاق كميات كبيرة من الإشعاع ، وهو اتجاه واعد في صناعة الطاقة.
التعريف
نظائر الليثيوم هي أنواع مختلفة من ذرات عنصر كيميائي معين. وهي تختلف عن بعضها البعض في عدد الجسيمات الأولية ذات الشحنة المحايدة (النيوترونات). يعرف العلم الحديث 9 من هذه النظائر ، سبعة منها اصطناعية ، ذات كتل ذرية من 4 إلى 12.
من بين هؤلاء ، الأكثر استقرارًا هو8Li. يبلغ عمر النصف 0.8403 ثانية. تم تحديد نوعين من النويدات الأيزومرية النووية (النوى الذرية التي تختلف ليس فقط في عدد النيوترونات ، ولكن أيضًا في البروتونات) -10m1Li و10m2لي. وهي تختلف في بنية الذرات في الفضاء وفي الخصائص.
التواجد في الطبيعة
في الظروف الطبيعية ، لا يوجد سوى نظيرين مستقرين - بكتلة 6 و 7 وحدات أ. تأكل(6لي ،7لي). الأكثر شيوعًا هو نظير الليثيوم الثاني. يحتوي الليثيوم في النظام الدوري لمندليف على الرقم التسلسلي 3 ، ورقم كتلته الرئيسي هو 7 أ. ه.م.هذا العنصر نادر جدًا في قشرة الأرض. استخراجها ومعالجتها مكلفة.
المادة الخام الرئيسية للحصول على الليثيوم المعدني هي كربوناته (أو كربونات الليثيوم) ، والتي يتم تحويلها إلى كلوريد ، ثم تحللها كهربائيا في خليط مع KCl أو BaCl. يتم عزل الكربونات من المواد الطبيعية (lepidolite ، spodumene pyroxene) بالتلبيد مع CaO أو CaCO3.
في العينات ، يمكن أن تختلف نسبة نظائر الليثيوم بشكل كبير. يحدث هذا نتيجة للتجزئة الطبيعية أو الاصطناعية. تؤخذ هذه الحقيقة في الاعتبار عند إجراء تجارب معملية دقيقة.
الميزات
نظائر الليثيوم6Li و7يختلف Li في الخصائص النووية: احتمال تفاعل الجسيمات الأولية للنواة الذرية والتفاعل منتجات. لذلك ، فإن نطاقها مختلف أيضًا.
عندما يتم قصف نظير الليثيوم6Li بالنيوترونات البطيئة ، يتم إنتاج الهيدروجين الثقيل (التريتيوم). في هذه الحالة ، تنقسم جسيمات ألفا ويتكون الهيليوم. يتم إخراج الجسيمات في اتجاهين متعاكسين. يظهر هذا التفاعل النووي في الشكل أدناه.
تُستخدم خاصية النظير هذه كبديل لاستبدال التريتيوم في مفاعلات الاندماج والقنابل ، حيث يتميز التريتيوم بنوع أصغرالاستقرار
نظير الليثيوم7يحتوي Li في شكل سائل على حرارة محددة عالية ومقطع عرضي نووي منخفض الفعالية. في سبيكة تحتوي على فلوريد الصوديوم والسيزيوم والبريليوم ، يتم استخدامه كمبرد ، وكذلك مذيب لفلوريد U و Th في المفاعلات النووية السائلة والملحية.
تخطيط أساسي
الترتيب الأكثر شيوعًا لذرات الليثيوم في الطبيعة يتضمن 3 بروتونات و 4 نيوترونات. البقية لديهم 3 جسيمات من هذا القبيل. يظهر تخطيط نوى نظائر الليثيوم في الشكل أدناه (أ و ب ، على التوالي).
لتشكيل نواة ذرة Li من نواة ذرة الهيليوم ، من الضروري والكافي إضافة 1 بروتون و 1 نيوترون. تربط هذه الجسيمات قوىها المغناطيسية. تحتوي النيوترونات على مجال مغناطيسي معقد ، يتكون من 4 أقطاب ، لذلك في الشكل الخاص بالنظير الأول ، يحتوي متوسط النيوترون على ثلاث جهات اتصال مشغولة وواحد يحتمل أن يكون خاليًا.
الحد الأدنى لطاقة الربط لنظير الليثيوم7Li المطلوب لتقسيم نواة العنصر إلى نيوكليونات هو 37.9 MeV. يتم تحديده من خلال طريقة الحساب الواردة أدناه.
في هذه الصيغ ، المتغيرات والثوابت لها المعنى التالي:
- n - عدد النيوترونات ؛
- m - الكتلة النيوترونية ؛
- p - عدد البروتونات ؛
- dM هو الفرق بين كتلة الجسيمات التي تتكون منها النواة وكتلة نواة نظير الليثيوم ؛
- 931 meV هي الطاقة المقابلة لـ 1 au. e.m.
نوويالتحولات
يمكن أن تحتوي نظائر هذا العنصر على ما يصل إلى 5 نيوترونات إضافية في النواة. ومع ذلك ، فإن عمر هذا النوع من الليثيوم لا يتجاوز بضعة أجزاء من الألف من الثانية. عندما يتم التقاط بروتون ، يتحول النظير6Li إلى7Be ، والذي يتحلل بعد ذلك إلى جسيم ألفا ونظير الهيليوم 3 هو. عندما قصفت من قبل deuterons ، 8كن يظهر مرة أخرى. عندما تلتقط النواة ديوترون7Li ، يتم الحصول على النواة9Be ، والتي تتحلل على الفور إلى جسيمين ألفا ونيوترون.
كما تظهر التجارب ، عند قصف نظائر الليثيوم ، يمكن ملاحظة مجموعة متنوعة من التفاعلات النووية. هذا يطلق كمية كبيرة من الطاقة.
تلقي
يمكن فصل نظائر الليثيوم بعدة طرق. الأكثر شيوعًا هي:
- الفصل في تدفق البخار. للقيام بذلك ، يتم وضع الحجاب الحاجز في وعاء أسطواني على طول محوره. يتم تغذية الخليط الغازي للنظائر باتجاه البخار الإضافي. تتراكم بعض الجزيئات المخصبة في نظير الضوء على الجانب الأيسر من الجهاز. هذا يرجع إلى حقيقة أن جزيئات الضوء لديها معدل انتشار مرتفع عبر الحجاب الحاجز. يتم تفريغها مع تدفق البخار من الفوهة العلوية.
- عملية الانتشار الحراري. في هذه التقنية ، كما في التقنية السابقة ، يتم استخدام خاصية السرعات المختلفة لتحريك الجزيئات. تتم عملية الفصل في أعمدة يتم تبريد جدرانها. بداخلها ، يتم شد سلك أحمر حار في الوسط. نتيجة للحمل الطبيعي ، ينشأ تدفقان - يتحرك الدافئ على طولالأسلاك ، والباردة - على طول الجدران لأسفل. تتراكم النظائر الخفيفة وتزال في الجزء العلوي ، والنظائر الثقيلة في الجزء السفلي.
- الطرد المركزي للغاز. يتم تشغيل مزيج من النظائر في جهاز طرد مركزي ، وهو عبارة عن أسطوانة رقيقة الجدران تدور بسرعة عالية. يتم إلقاء النظائر الأثقل بواسطة قوة الطرد المركزي على جدران جهاز الطرد المركزي. بسبب حركة البخار ، يتم حملها ، والنظائر الخفيفة من الجزء المركزي من الجهاز - لأعلى.
- الطريقة الكيميائية. يبدأ التفاعل الكيميائي في كاشفين في حالات طور مختلفة ، مما يجعل من الممكن فصل تدفقات النظائر. هناك أنواع مختلفة من هذه التقنية ، عندما تتأين نظائر معينة بالليزر ثم يفصلها مجال مغناطيسي.
- التحليل الكهربائي لأملاح الكلوريد. تستخدم هذه الطريقة لنظائر الليثيوم فقط في ظروف المختبر.
التطبيق
عمليا جميع تطبيقات الليثيوم مرتبطة بدقة بنظائره. يستخدم تباين العنصر برقم كتلي 6 للأغراض التالية:
- كمصدر للتريتيوم (الوقود النووي في المفاعلات) ؛
- للتوليف الصناعي لنظائر التريتيوم ؛
- لصنع أسلحة نووية حرارية.
نظير7يستخدم Li في الحقول التالية:
- لإنتاج البطاريات القابلة لإعادة الشحن ؛
- في الطب - لتصنيع مضادات الاكتئاب والمهدئات ؛
- في المفاعلات: كمبرد ، للحفاظ على ظروف تشغيل الماءمفاعلات الطاقة لمحطات الطاقة النووية ، لتنظيف المبرد في مزيلات المعادن بالدائرة الأولية للمفاعلات النووية.
أصبح نطاق نظائر الليثيوم أوسع. في هذا الصدد ، تتمثل إحدى المشكلات الملحة في الصناعة في الحصول على مادة عالية النقاء ، بما في ذلك المنتجات أحادية النظائر.
في عام 2011 ، تم أيضًا إطلاق إنتاج بطاريات التريتيوم ، والتي يتم الحصول عليها عن طريق تشعيع الليثيوم بنظائر الليثيوم. يتم استخدامها عند الحاجة إلى تيارات منخفضة وعمر خدمة طويل (أجهزة تنظيم ضربات القلب والغرسات الأخرى ، وأجهزة استشعار قاع البئر وغيرها من المعدات). عمر النصف للتريتيوم وبالتالي عمر البطارية 12 سنة.
