Litiumisotoper

Fördelningen av de naturliga isotoperna av litium.

Litium-6 (7,5 %)

Litium-7 (92,5 %)

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

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. 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. ⁴Li 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.

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) – 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.

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.

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

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.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Se även

• Litiumatom

Källor

---

• 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.