Введение

Нуклиды с атомным номером 3, но с различными массовыми числами

Природный литий (3Li) состоит из двух стабильных изотопов: лития-6 (6Li) и лития-7 (7Li), причем последний значительно более распространен на Земле. Оба природных изотопа имеют неожиданно низкую энергию ядерного связывания на нуклон (5332,3312 для 6Li и 5606,4401 для 7Li) по сравнению с соседними более легкими и тяжелыми элементами – гелием (7073,9156 для гелия-4) и бериллием (6462,6693 для бериллия-9). Самый долгоживущий радиоизотоп лития – 8Li, с периодом полураспада всего 838,7. 9Li имеет период полураспада 178,2, а 11Li – 8,75. Все остальные изотопы лития имеют периоды полураспада менее 10 наносекунд. Самый короткоживущий известный изотоп лития – 4Li, который распадается посредством эмиссии протона с периодом полураспада около 91 (9,1), хотя период полураспада 3Li еще предстоит определить и, вероятно, будет значительно короче, как у 2He (гелия-2, дипротона), который подвергается эмиссии протона в течение с.

И 7Li, и 6Li – два из первичных нуклидов, образовавшихся в Большом взрыве, при этом доля 7Li составляет 10−9 от общего количества первичных нуклидов, а 6Li – около 10−13. Небольшой процент 6Li также образуется в результате ядерных реакций в некоторых звездах. Изотопы лития в некоторой степени разделяются в ходе различных геологических процессов, включая образование минералов (химическое осаждение и ионный обмен). Ионы лития замещают магний или железо в определенных октаэдрических позициях в глинах, причем литий-6 иногда предпочтительнее лития-7. Это приводит к некоторому обогащению 6Li в геологических процессах. В ядерной физике 6Li является важным изотопом, поскольку при бомбардировке нейтронами образуется тритий. Изотопы 6Li и 7Li демонстрируют эффект ядерного магнитного резонанса, несмотря на то, что они являются квадрупольными (с ядерными спинами 1+ и 3/2−). 6Li имеет более четкие линии, но из-за его меньшей распространенности требуется более чувствительный спектрометр ЯМР. 7Li более распространен, но имеет более широкие линии из-за большего ядерного спина. Диапазон химических сдвигов одинаков для обоих ядер и лежит в пределах +10 (для LiNH2 в жидком NH3) и −12 (для Li+ в фуллериде).

Литий-3

Литий-3, также известный как трипротон, состоит из трех протонов и нуля нейтронов. О его несвязанности с протонами сообщалось в 1969 году, однако этот результат не был подтвержден, и его существование остается недоказанным. Других резонансов, приписываемых литию-3, не обнаружено, и предполагается, что он распадается посредством быстрого испускания протона (аналогично дипротону, гелию-2).

Литий-4

Литий-4 содержит три протона и один нейтрон. Это самый короткоживущий известный изотоп лития, с периодом полураспада 91 (9,1) мс и распадается посредством протонной эмиссии в гелий-3. Литий-4 может образовываться как промежуточный продукт в некоторых реакциях ядерного синтеза.

Литий-7

Литий-7 является самым распространенным изотопом лития, составляя от 92,2% до 98,1% всего земного лития. Атом лития-7 содержит три протона, четыре нейтрона и три электрона. Из-за своих ядерных свойств литий-7 встречается реже, чем гелий, углерод, азот или кислород во Вселенной, несмотря на то, что последние три имеют более тяжелые ядра. Термоядерный взрыв Castle Bravo значительно превысил ожидаемую мощность из-за неверных предположений о ядерных свойствах лития-7. Промышленное производство лития-6 приводит к образованию отхода, обогащенного литием-7 и обедненного литием-6. Этот материал продается в коммерческих целях, и часть его попадает в окружающую среду. Относительное содержание лития-7, на 35% превышающее природное значение, было обнаружено в грунтовых водах карбонатного водоносного горизонта под ручьем Уэст-Вэлли в штате Пенсильвания, ниже по течению от завода по переработке лития. Изотопный состав лития в обычных материалах может незначительно варьироваться в зависимости от его происхождения, что определяет его относительную атомную массу в исходном материале. Точную относительную атомную массу для образцов лития невозможно измерить для всех источников лития. Литий-7 используется в качестве компонента расплавленного фторида лития в реакторах с расплавленной солью: жидкометаллических ядерных реакторах. Большое сечение поглощения нейтронов литием-6 (около 940 барнов) по сравнению с очень малым сечением поглощения нейтронов литием-7 (около 45 миллибарнов) делает высокую степень разделения лития-7 от природного лития важным требованием для возможного использования в реакторах на фториде лития. Гидроксид лития-7 используется для подщелачивания теплоносителя в водо-водяных реакторах под давлением. Было получено некоторое количество лития-7, содержащего в своем ядре лямбда-частицу, в то время как атомное ядро, как правило, состоит только из нейтронов и протонов.

Литий-8

Литий-8 был предложен в качестве источника электронных антинейтрино с энергией 6,4 МэВ, образующихся при обратном бета-распаде в бериллий-8. Коллектив ISODAR по физике частиц описывает схему получения лития-8 для немедленного распада посредством бомбардировки стабильного лития-7 протонами с энергией 60 МэВ, созданными в циклотронном ускорителе частиц.

Литий-11

Литий-11 — это ядро гало, состоящее из ядра лития-9, окруженного двумя слабо связанными нейтронами; оба нейтрона должны присутствовать для того, чтобы система оставалась связанной, что привело к описанию как «борромеанское ядро». В то время как среднеквадратичный радиус протонов в 11Li равен 2,18, его нейтронный радиус значительно больше — 3,34; для сравнения, соответствующие значения для 9Li составляют 2,076 для протонов и 2,4 для нейтронов. Он распадается посредством бета-распада и испускания нейтронов в бериллий-10, бериллий-11 или бериллий-9 (см. таблицы выше и ниже). Имея магическое число 8 нейтронов, литий-11 расположен на первом из пяти известных островов инверсии, что объясняет его более длительный период полураспада по сравнению с соседними ядрами.

Литий-12

Литий-12 имеет значительно более короткий период полураспада. Он распадается с испусканием нейтрона в литий-11, который распадается, как было указано выше.

Цепи разложения

В то время как β-распад на изотопы бериллия (часто в сочетании с единичным или множественным испусканием нейтронов) преобладает в более тяжелых изотопах лития, литий-10 и литий-12 распадаются посредством испускания нейтронов в литий-9 и литий-11 соответственно из-за их расположения за пределами линии нейтронной капельности. Литий-11 также наблюдался распадающимся посредством различных форм деления. Изотопы, легче лития-6, распадаются исключительно посредством эмиссии протонов, поскольку они находятся за пределами линии протонной капельности. Способы распада двух изомеров лития-10 неизвестны.