Litiumisotoper

Litiumisotoper är isotoper av grundämnet litium (Li), det vill säga atomer och kärnor med 3 protoner och olika antal neutroner.

Fördelningen av de naturliga isotoperna av litium.

Litium-6 (7,5 %)

Litium-7 (92,5 %)

Isotoper

Litium har 9 kända isotoper, varav 2 är stabila (⁶Li och ⁷Li).

Båda de stabila isotoperna har en oväntat låg kärnbindningsenergi per nukleon (≈ 5,3 MeV) jämfört med de intilliggande lättare och tyngre grundämnena, helium (≈ 7,1 MeV) respektive beryllium (≈ 6,5 MeV). Den mest stabila litiumradioisotopen är ⁸Li, som har en halveringstid på endast 838 millisekunder. ⁹Li har en halveringstid på 178 millisekunder, och ¹¹Li har en halveringstid på cirka 8,6 millisekunder. Alla återstående isotoper av litium har halveringstider som är kortare än 10 nanosekunder. Den mest kortlivade kända litiumisotopen är ⁴Li, som sönderfaller genom protonemission med en halveringstid på cirka 9,1 x 10⁻²³ sekunder, även om halveringstiden av ³Li ännu inte är fastställd, och troligen kommer att vara mycket kortare.

⁷Li och ⁶Li är två av de nuklider som producerades i big bang. ⁷Li utgjorde där 10⁻⁹ av alla ursprungliga nuklider och ⁶Li omkring 10⁻¹³.^[1] En liten procentandel av ⁶Li produceras också genom kärnreaktioner i vissa stjärnor. Litiumisotoper separeras något under en mängd olika geologiska processer, inklusive mineralbildning (kemisk fällning och jonbyte). Litiumjoner kan ersätta magnesium eller järn på vissa oktaedriska platser i leror, ibland med fördel för ⁶Li framför ⁷Li. Detta resulterar i en viss anrikning av ⁷Li i geologiska processer.

⁶Li är en viktig isotop inom kärnfysik eftersom tritium produceras när den bombarderas med neutroner.

Litium-4

⁴Li innehåller tre protoner och en neutron. Det är den mest kortlivade kända litiumisotopen, med en halveringstid av omkring 9,1 x 10⁻²³ sekunder och sönderfaller genom protonemission till ³He.^{[2] 4}Li kan bildas som en mellanprodukt i några kärnfusionsreaktioner.

Litium-5

⁵Li innehåller tre protoner och två neutroner. Dess halveringstid är 3,047 × 10⁻²² sekunder och sönderfaller genom protonemission till ⁴He.

Litium-6

⁶Li är värdefullt som ett utgångsmaterial för framställning av tritium (³H) och som en absorbator av neutroner i kärnfusionsreaktioner. De naturliga relativa fraktionerna av litium är fördelade så att ⁶Li utgör 7,5 %, medan resten utgörs av ⁷Li. Stora mängder ⁶Li har separerats ut för att användas i vätebomber. ⁶Li är en av endast fyra isotoper med spinn 1 och har det minsta nollskilda nukleära elektriska kvadrupolmomentet av någon stabil kärna.

Litium-7

⁷Li är i särklass den vanligast förekommande litiumisotopen (92,5 %). Atomen innehåller tre protoner, fyra neutroner och tre elektroner, vilket innebär att atomens totala spinn är ett heltal (vanligen noll). Den är därmed en boson. I universum – på grund av de nukleära egenskaperna – är ⁷Li mindre vanligt än helium, beryllium, kol, kväve och syre, även om de senare fyra alla har tyngre kärnor än litium.

Efter separation av ⁶Li, finns det litium kvar som är anrikat i ⁷Li och utarmat i ⁶Li. Detta ⁷Li-anrikade material har sålts kommersiellt och en del av det har släppts ut i miljön. En relativ förekomst av ⁷Li som är 35 procent större än det naturliga värdet har uppmätts i grundvattnet i en karbonatakvifer under West Valley Creek i Pennsylvania, nedströms från en litiumbearbetningsanläggning. I utarmat litium, kan den relativa förekomsten av ⁶Li reduceras till så lite som 20 procent av det nominella värdet, vilket ger en atommassa för utarmat litium som kan variera från cirka 6,94 till 7 atommassenheter. Därför kan litiums isotopsammansättning variera något beroende på dess källa. En noggrann atommassa för litiumprover kan inte mätas för alla litiumkällor.^[3]

⁷Li kan användas som en del av smält litiumfluorid i smält salt-reaktorer: flytande fluorid-reaktorer. Eftersom ⁶Li har ett stort tvärsnitt för neutroninfångning (cirka 940 barn^[4]) – jämfört med ⁷Li (cirka 45 millibarn) – är hög separation av ⁷Li från naturligt litium starkt efterfrågad för möjlig användning i litiumfluoridreaktorer.

Litium-7-hydroxid används för alkalisering av kylvätskan i tryckvattenreaktorer.^[5]

En mindre mängd ⁷Li har producerats, några pikosekunder, som innehåller en lambdapartikel i sin kärna, medan en atomkärna i allmänhet innehåller endast neutroner, protoner och pioner.^[6][7]

Litium-8

⁸Li är en radioisotop med en halveringstid på 840,3 millisekunder. Dess kärna består formellt av tre protoner och fem neutroner, men har faktiskt struktur av en halokärna: dess kärna består av två protoner och två neutroner (en ⁴He-kärna) omgiven av en "halo" bestående av en proton och tre neutroner. Den sönderfaller genom β-sönderfall följt av fission till två ⁴He-atomer.

Litium-9

⁹Li är en radioisotop med en halveringstid på 178,3 millisekunder. Dess kärna utgörs av tre protoner och sex neutroner. Den sönderfaller genom β-sönderfall till ⁹Be samt i 50,8 procent av fallen neutronemission till ⁸Be.

Litium-10

¹⁰Li är en radioisotop med en halveringstid på 2 × 10⁻²¹ sekunder. Dess kärna utgörs av tre protoner och sju neutroner. Den sönderfaller genom neutronemission till ⁹Li. Den förekommer även i två metastabila tillstånd (kärnisomerer), ^10m1Li och ^10m2Li.

Litium-11

¹¹Li är en radioisotop med en halveringstid på 8,75 millisekunder. Dess kärna är består formellt av tre protoner och åtta neutroner, men har en struktur av en halokärna: dess kärna består av tre protoner och sex neutroner (en ⁹Li-kärna), omgiven av en "halo "bestående av två neutroner. Den har en exceptionellt stor träffyta (3,16 fm), jämförbar med ²⁰⁸Pb. Den sönderfaller genom β-sönderfall till ¹¹Be och i huvudsak genom neutronemission till ¹⁰Be.

Litium-12

¹²Li har en betydligt kortare halveringstid på 10 nanosekunder. Den sönderfaller genom neutronemission till 11Li, vars sönderfall i sin tur beskrivs ovan.

Isotopseparation

Colexsepration

⁶Li har en större affinitet än ⁷Li för grundämnet kvicksilver. När en blandning av litium och kvicksilver tillsätts till lösningar innehållande litiumhydroxid, blir ⁶Li mer koncentrerat i amalgam och ⁷Li mer i hydroxidlösning.

Colexseparationsmetoden (av engelska column exchange, ”kolonnutbyte”) utnyttjar detta genom att passera en motström av amalgam och hydroxid genom en stegkaskad. Fraktion av ⁶Li dräneras företrädesvis av kvicksilvret, medan ⁷Li mestadels är i flöde med hydroxiden. Vid botten av kolonnen, är litiumet (anrikat med ⁶Li) separerat från amalgamet, och kvicksilvret tillvaratas att återanvändas med färskt råmaterial. Vid toppen är litiumhydroxidlösningen elektrolyserad för att frigöra ⁷Li-fraktionen. Anrikning som erhålles med denna metod varierar med längden av kolonnen och flödeshastigheten.

Vakuumdestillation

Litium upphettas i vakuum till cirka 550 °C. Litiumatomer förångas från vätskeytan och samlas på en kall yta placerad några centimeter ovanför vätskeytan. Eftersom ⁶Li-atomer har en större fri medelväglängd, samlas de företrädesvis.

Den teoretiska separationseffektiviteten är cirka 8,0 procent. En flerstegsprocess kan användas för att erhålla högre separationsgrader.

Tabell

Nuklid	Z	N	Massa (u)	Halveringstid	ST (%)	SE (MeV)	SP	Spinn	Förekomst (%)
	Excitationsenergi (keV)
4Li	3	1	4,02719(23)	9,1 × 10−23 s	p	6,03	3He	2−
5Li	3	2	5,01254(5)	3,047 × 10−22 s	p	1,97	4He	3⁄2−
6Li	3	3	6,015122795(16)	Stabil				1+	7,5
7Li	3	4	7,01600455(8)	Stabil				3⁄2−	92,5
8Li	3	5	8,02248736(10)	840,3 ms	β−	16,004	8Be	2+
9Li	3	6	9,0267895(21)	178,3 ms	β− + n (50,8 %)	11,941	8Be	3⁄2−
					β− (49,2 %)	13,606	9Be
10Li	3	7	10,035481(16)	2 × 10−21 s	n	0,42	9Li	(1−,2−)
10m1Li	200(40)			2 × 10−21 s				1+
10m2Li	480(40)			2 × 10−21 s				2+
11Li	3	8	11,043798(21)	8,75 ms	β− + n (84,9 %)	20,61	10Be	3⁄2−
					β− (8,07 %)	20,11	11Be
					β− + 2n (4,1 %)		9Be
					β− + 3n (1,9 %)		8Be
					β− + α (1 %)		7He, 4He
					β− + fission (0,014 %)		8Li, 3He
					β− + fission (0,013 %)		9Li, 2He
12Li	3	9	12,05378(107)#	10 ns	n	1,227	11Li
Denna tabell: visa • redigera

Anmärkningar

• Stabila isotoper anges i fetstil.
• Värden markerade med # härrör inte enbart från experimentella data, men åtminstone delvis från systematiska trender.
• Osäkerheter anges i kort form i parentes efter värdet. Osäkerhetsvärden anger en standardavvikelse, utom isotopsammansättningen och standardatommassa från IUPAC, som använder expanderade osäkerhet.
• Nuklidmassor är givna av IUPAP Commission on Symbols, Units, Nomenclature, Atomic Masses and Fundamental Constants (SUNAMCO).
• Isotopförekomster är givna av IUPAC Commission on Isotopic Abundances and Atomic Weights.

Sönderfallskedjor

Medan β⁻-sönderfall till berylliumisotoper (ofta i kombination med en eller flera neutronemissioner) dominerar över tyngre litiumisotoper, sönderfaller ¹⁰Li och ¹²Li via neutronemission till ⁹Li respektive ¹¹Li, på grund av sina positioner ovanför neutrondropplinjen. ¹¹Li har även observerats att sönderfalla via flera former av fission. Lättare litiumisotoper (^<6Li) är endast kända för sönderfall via protonemission. Sönderfallstyperna hos de två isomererna av ¹⁰Li är okända.

${\displaystyle \mathrm {{}_{3}^{4}Li} \ {\xrightarrow {\ \mathrm {91ys} }}\ \mathrm {{}_{2}^{3}He} +\mathrm {{}_{1}^{1}H} }$

${\displaystyle \mathrm {{}_{3}^{5}Li} \ {\xrightarrow {\ \mathrm {370ys} }}\ \mathrm {{}_{2}^{4}He} +\mathrm {{}_{1}^{1}H} }$

${\displaystyle \mathrm {{}_{3}^{8}Li} \ {\xrightarrow {\ \mathrm {840.3ms} }}\ \mathrm {{}_{4}^{8}Be} +\mathrm {e{}_{}^{-}} }$

${\displaystyle \mathrm {{}_{3}^{9}Li} \ {\xrightarrow {\ \mathrm {178.3ms} }}\ \mathrm {{}_{4}^{8}Be} +\mathrm {{}_{0}^{1}n} +\mathrm {e{}_{}^{-}} }$

${\displaystyle \mathrm {{}_{3}^{9}Li} \ {\xrightarrow {\ \mathrm {178.3ms} }}\ \mathrm {{}_{4}^{9}Be} +\mathrm {e{}_{}^{-}} }$

${\displaystyle \mathrm {{}_{3}^{10}Li} \ {\xrightarrow {\ \mathrm {2zs} }}\ \mathrm {{}_{3}^{9}Li} +\mathrm {{}_{0}^{1}n} }$

${\displaystyle \mathrm {{}_{3}^{11}Li} \ {\xrightarrow {\ \mathrm {8.75ms} }}\ \mathrm {{}_{4}^{10}Be} +\mathrm {{}_{0}^{1}n} +\mathrm {e{}_{}^{-}} }$

${\displaystyle \mathrm {{}_{3}^{11}Li} \ {\xrightarrow {\ \mathrm {8.75ms} }}\ \mathrm {{}_{4}^{11}Be} +\mathrm {e{}_{}^{-}} }$

${\displaystyle \mathrm {{}_{3}^{11}Li} \ {\xrightarrow {\ \mathrm {8.75ms} }}\ \mathrm {{}_{4}^{9}Be} +\mathrm {2{}_{0}^{1}n} +\mathrm {e{}_{}^{-}} }$

${\displaystyle \mathrm {{}_{3}^{11}Li} \ {\xrightarrow {\ \mathrm {8.75ms} }}\ \mathrm {{}_{4}^{8}Be} +\mathrm {3{}_{0}^{1}n} +\mathrm {e{}_{}^{-}} }$

${\displaystyle \mathrm {{}_{3}^{11}Li} \ {\xrightarrow {\ \mathrm {8.75ms} }}\ \mathrm {{}_{4}^{7}He} +\mathrm {{}_{2}^{4}He} +\mathrm {e{}_{}^{-}} }$

${\displaystyle \mathrm {{}_{3}^{11}Li} \ {\xrightarrow {\ \mathrm {8.75ms} }}\ \mathrm {{}_{3}^{8}Li} +\mathrm {{}_{1}^{3}H} +\mathrm {e{}_{}^{-}} }$

${\displaystyle \mathrm {{}_{3}^{11}Li} \ {\xrightarrow {\ \mathrm {8.75ms} }}\ \mathrm {{}_{3}^{9}Li} +\mathrm {{}_{1}^{2}H} +\mathrm {e{}_{}^{-}} }$

${\displaystyle \mathrm {{}_{3}^{12}Li} \ {\xrightarrow {\ \mathrm {<10ns} }}\ \mathrm {{}_{3}^{11}Li} +\mathrm {{}_{0}^{1}n} }$

Se även

• Litiumatom

Källor

1. Fields, Brian D. (2011). ”The Primordial Lithium Problem”. Annual Review of Nuclear and Particle Science 61 (1): sid. 47–68. doi:10.1146/annurev-nucl-102010-130445. https://www.annualreviews.org/doi/10.1146/annurev-nucl-102010-130445.
2. ”Isotopes of Lithium”. http://periodictable.com/Isotopes/003.4/index2.full.dm.html. Läst 20 oktober 2013.
3. T. B. Coplen, J. A. Hopple, J. K. Böhlke, H. S. Peiser, S. E. Rieder, H. R. Krouse, K. J. R. Rosman, T. Ding, R. D. Vocke, Jr., K. M. Révész, A. Lamberty, P. Taylor, P. De Bièvre. "Compilation of minimum and maximum isotope ratios of selected elements in naturally occurring terrestrial materials and reagents", U.S. Geological Survey Water-Resources Investigations Report 01-4222 (2002). Citerad i T. B. Coplen, et al. (2002). ”Isotope-Abundance Variations of Selected Elements (IUPAC technical report)”. Pure and Applied Chemistry 74 (10): sid. 1987–2017. Arkiverad från originalet den 3 mars 2016. https://web.archive.org/web/20160303202428/http://pac.iupac.org/publications/pac/pdf/2002/pdf/7410x1987.pdf.
4. Norman E. Holden (januari–februari 2010). The Impact of Depleted ⁶Li on the Standard Atomic Weight of Lithium. International Union of Pure and Applied Chemistry. http://www.iupac.org/publications/ci/2010/3201/3_holden.html. Läst 6 maj 2014.
5. Managing Critical Isotopes: Stewardship of Lithium-7 Is Needed to Ensure a Stable Supply, GAO-13-716 // U.S. Government Accountability Office, 19 September 2013; pdf
6. John Emsley (2001). Nature's Building Blocks: An A-Z Guide to the Elements. Oxford University Press. sid. 234–239. ISBN 978-0-19-850340-8. http://books.google.com/books?id=j-Xu07p3cKwC&pg=PA239
7. Geoff Brumfiel (1 mars 2001). ”The Incredible Shrinking Nucleus”. Physical Review Focus. doi:10.1103/PhysRevFocus.7.11. http://physics.aps.org/story/v7/st11.

---

• Isotopmassor:
  • G. Audi, A. H. Wapstra, C. Thibault, J. Blachot and O. Bersillon (2003). ”The NUBASE evaluation of nuclear and decay properties”. Nuclear Physics 729: sid. 3–128. doi:10.1016/j.nuclphysa.2003.11.001. http://www.nndc.bnl.gov/amdc/nubase/Nubase2003.pdf.
• Isotopsammansättning och standardatommassa:
  • J. R. de Laeter, J. K. Böhlke, P. De Bièvre, H. Hidaka, H. S. Peiser, K. J. R. Rosman and P. D. P. Taylor (2003). ”Atomic weights of the elements. Review 2000 (IUPAC Technical Report)”. Pure and Applied Chemistry 75 (6): sid. 683–800. doi:10.1351/pac200375060683. http://www.iupac.org/publications/pac/75/6/0683/pdf/.
  • M. E. Wieser (2006). ”Atomic weights of the elements 2005 (IUPAC Technical Report)”. Pure and Applied Chemistry 78 (11): sid. 2051–2066. doi:10.1351/pac200678112051. http://iupac.org/publications/pac/78/11/2051/pdf/.
• Spinn och isomerdata:
  • G. Audi, A. H. Wapstra, C. Thibault, J. Blachot and O. Bersillon (2003). ”The NUBASE evaluation of nuclear and decay properties”. Nuclear Physics A 729: sid. 3–128. doi:10.1016/j.nuclphysa.2003.11.001. http://www.nndc.bnl.gov/amdc/nubase/Nubase2003.pdf.
  • National Nuclear Data Center. ”NuDat 2.1 database”. Brookhaven National Laboratory. http://www.nndc.bnl.gov/nudat2/. Läst 1 september 2005.
  • N. E. Holden (2004). ”Table of the Isotopes, Section 11”. i D. R. Lide. CRC Handbook of Chemistry and Physics (85th). CRC Press. ISBN 978-0-8493-0485-9
• Övrigt:
  • ”Universal Nuclide Chart”. Nucleonica. http://www.nucleonica.net/unc.aspx. Läst 27 september 2012.

Externa länkar

• Lewis, G. N.; MacDonald, R. T. (1936). ”The Separation of Lithium Isotopes”. Journal of the American Chemical Society 58 (12): sid. 2519. doi:10.1021/ja01303a045.