リチウムの同位体

リチウム の同位体（3 Li）
主な同位体[ 1 ]崩壊
同位体存在比半減期（t 1/2）モード製品
6リチウム [1.9%, 7.8%]安定
7リチウム [92.2%, 98.1%]安定
6 Liが枯渇したサンプルの分布が広いため、市販のサンプルでは大きな変動が生じます。
標準原子量A r °(Li)

自然界に存在するリチウム（3 Li）は、リチウム6（6 Li）とリチウム7（7 Li）という2つの安定同位体で構成されており、後者は地球上ではるかに豊富に存在します。放射性同位体は短寿命で、粒子に結合した8 Li、9 Li、11 Liの半減期はそれぞれ838.7ミリ秒、178.2ミリ秒、8.75ミリ秒です。

天然同位体は両方とも核子あたりの核結合エネルギーが異常に低い（5 332 .3312(3) keV 6 Liおよび5 606 .4401(6) keVの電子エネルギーは、隣接するより軽い元素およびより重い元素であるヘリウム（7 073 .9156(4) keV（ヘリウム4）およびベリリウム（6 462 .6693(85) keV（ベリリウム-9の場合）であり、その合成には非平衡条件が必要である。

7 Liと6 Liはビッグバンで生成され、7 Liは原始物質全体の5 × 10 −10 である[ 4 ]のに対し、 6 Liは約10 −14（検出不能）である。この差は重要である。なぜなら、リチウムの両同位体は陽子によって効率的に破壊されるのに対し、ベリリウム7はそうではなく、その後リチウムに崩壊するからである。 7 Liの一部は、キャメロン・ファウラー機構と呼ばれる特定の恒星（赤色巨星）でも生成されることが知られている。ベリリウム7は原子核燃焼の通常の生成物であるが、崩壊前に地表に対流した場合にのみリチウム生成に寄与することができる。したがって、 6 Liのほぼすべては、多くの7 Liと同様に、宇宙起源であり、破砕によって生成されたと考えられている。[ 5 ]

リチウム同位体は、鉱物形成（化学的沈殿およびイオン交換）を含む様々な地質学的プロセスにおいて、ある程度分離します。例えば、粘土中の特定の八面体位置では、リチウムイオンがマグネシウムまたは鉄と置換され、6リチウムが7リチウムよりも優先されることで、粘土が濃縮されます。リチウムのサンプルの正確な相対原子質量は、すべてのリチウム源について測定することはできないと考えられています。[ 6 ]

原子核物理学において、6 Li は重要な同位体です。これは、 6 Li が低速中性子にさらされると、ほぼ 100% の収率でトリチウムが生成されるのに対し、7 Li は低速中性子とほとんど反応しないためです。

6 Liと7 Li同位体はどちらも四極子（核スピンが1+と3/2-）であるにもかかわらず、核磁気共鳴を示す。6 Liはよりシャープな線を示すが、存在比が低いため、より感度の高いNMR分光計が必要となる。7 Liはより豊富であるが、核スピンと四極子が大きいため、より広い線を示す。化学シフトの範囲は両核種で同じであり、+10（液体NH 3中のLiNH 2の場合）から-12（フラーレン中のLi+の場合）の範囲である。[ 7 ]

同位体リスト

核種[ n 1 ]ZN同位体質量（Da）[ 8 ] [ n2 ] [ n3 ]半減期[ 1 ] [共鳴幅] 減衰モード[ 1 ] [ n 4 ]娘同位体[ n 5 ]スピンとパリティ[ 1 ] [ n 6 ] [ n 7 ]天然存在比（モル分率）
励起エネルギー 通常の比率[ 1 ]変動範囲
4リー3 1 4.027 19 (23)91(9) 年[5.06(52) MeV ] p 3彼2−
5リー3 2 5.012 540 (50)370(30) 年[1.24(10) MeV ] p 4彼3/2−
6李[ n 8 ]3 3 6.015 122 8874 (15)安定1+ [0.019、0.078 ] [ 9 ]
6mリー3 562.88 (10) keV56(14) としてIT6リー0+
7Li [ n 9 ]3 4 7.016 003 434 (4)安定3/2− [0.922、0.981 ] [ 9 ]
8リー3 5 8.022 486 24 (5)838.7(3) msβ −8Be [ n 10 ]2+
9リー3 6 9.026 790 19 (20)178.2(4) msβ − n (50.5(1.0)% ) 8ベ[ n 11 ]3/2−
β −（49.5(1.0)% ) 9ビー
10リー3 7 10.035 483 (14)2.0(5) zs [0.2(1.2) MeV ] n 9リー(1−, 2−)
10m1リー200(40)keV3.7(1.5)zsIT 10リー1+
10m²リー480(40) keV1.35(24) zs [0.350(70) MeV ] IT 10リー2+
11李[ n 12 ]3 8 11.043 7236 (7)8.75(6)ミリ秒β − n (86.3(9)%10ビー3/2−
β −（ 6.0(1.0) % 11ビー
β − 2n (4.1(4)% ) 9ビー
β − 3n (1.9(2)% ) 8ベ[ n 13 ]
β − α (1.7(3)% ) 7彼
β − d (0.0130(13)% ) 9リー
β − t (0.0093(8)% ) 8リー
12リー3 9 12.053 78 (107) # 10ナノ秒未満 n ? [ n 14 ]11Li  ? (1−, 2−)
13リー3 10 13.061 170 (80)3.3(1.2) zs [0.2(9.2) MeV ] 2n 11リー3/2−#
この表のヘッダーとフッター：
  1. ^ m Li – 励起核異性体
  2. ^ ( ) – 不確実性 (1 σ ) は、対応する最後の数字の後の括弧内に簡潔に示されます。
  3. ^ # – 原子質量は # でマークされています。値と不確実性は純粋な実験データからではなく、少なくとも部分的に質量表面 (TMS) の傾向から導き出されています。
  4. ^ 崩壊のモード:
    IT:異性体遷移
    n:中性子放出
    p:陽子放出
  5. ^太字の記号は娘核種 – 娘核種は安定です
  6. ^ ( ) スピン値 – 弱い割り当て引数を持つスピンを示します。
  7. ^ # – # でマークされた値は、純粋に実験データから導き出されたものではなく、少なくとも部分的には近隣核種 (TNN) の傾向から導き出されたものです。
  8. ^数少ない安定した奇奇核の一つ
  9. ^ビッグバン元素合成と宇宙線破砕によって生成された
  10. ^直ちに2つのα粒子に崩壊し、正味反応は8 Li → 2 4 He + e −となる。
  11. ^直ちに2つのα粒子に崩壊し、正味反応は9 Li → 2 4 He + 1 n + e −となる。
  12. ^ハロー中性子を2個持つ
  13. ^直ちに2つの4 He原子に崩壊し、正味反応は11 Li → 2 4 He + 3 1 n + e −となる。
  14. ^示されている崩壊モードはエネルギー的には許容されるが、この核種で発生することは実験的に観察されていない。

同位体分離

コレックス分離

リチウム6はリチウム7よりも水銀元素 との親和性が高い。リチウムと水銀のアマルガムを水酸化リチウムを含む溶液に加えると、アマルガム中のリチウム6はより濃縮され、水酸化リチウム溶液中のリチウム7はより濃縮される

COLEX（カラム交換）分離法は、アマルガムと水酸化物を逆流させ、段階的に通過させることでこの特性を利用します。リチウム6は水銀によって優先的に排出され、リチウム7は水酸化物とともに保持されます。カラムの底部では、リチウム（リチウム6が濃縮されている）がアマルガムから分離され、水銀は回収されて新しい原料に再利用されます。上部では、水酸化リチウム溶液を電気分解してリチウム7を分離します。この方法による濃縮度は、カラムの長さと流速によって異なります。

その他の方法

真空蒸留法では、リチウムは約真空中550  ℃で加熱する。リチウム原子は液体表面から蒸発し、液体表面から数センチメートル上方に配置された冷たい表面に集められる。[ 10 ]リチウム6原子は（質量が小さいため）同じ温度でより速い速度を持つため、優先的に蒸発し、気体衝突が起こらなければ、同じ比率で集められる（つまり、平均自由行程は距離に比べて大きいはずである）。この方法の理論的な分離効率は約8.0%であり、これは質量比の平方根である。より高い分離度を得るために、多段階プロセスが使用される場合もある。

リチウム同位体は原理的には電気化学的手法や蒸留クロマトグラフィーによって分離することも可能であり、現在研究が進められている。[ 11 ]

リチウム5

主要反応の核融合断面積。リチウム5の共鳴がなければ、D- 3He反応の断面積ははるかに低くなります

リチウム5は非常に短寿命です（< 10 −21 秒で陽子とヘリウム4に崩壊する。これは重水素とヘリウム3の核融合反応の中間体として生成される。

この反応は共鳴の存在によって大きく促進される。リチウム5は、0MeVの基底状態では自然スピン状態が-3/2であるが、16.66MeVでは励起スピン状態が+3/2である。この反応によって、この状態に近いエネルギー準位を持つリチウム5の核が生成されるため、反応はより頻繁に起こる。ヘリウム5の核における対称共鳴により、重水素-三重水素核融合反応は既知の反応の中で最も好ましいものとなっている。 [ 12 ]

リチウム6

リチウム6は、中性子の吸収によるトリチウム（水素3）製造の原料として貴重です。地球上のリチウムの1.9%から7.8%はリチウム6で、残りはリチウム7です。大量のリチウム6は、 熱核兵器に使用するために分離されています

重水素-三重水素核融合反応は、現在、実現可能なエネルギー出力を持つ唯一の核融合反応であるため、将来的なエネルギー源として研究されてきました。このシナリオでは、必要な量のトリチウムを生成するために、リチウム6を濃縮したリチウムが必要になります。鉱物や海水中のリチウム資源は、このシナリオにおける潜在的な制限要因となりますが、必要に応じて海水からリチウムを抽出することができます。[ 13 ] CANDUなどの加圧重水炉は、中性子吸収によって冷却材/減速材中に少量のトリチウムを生成しますが、これは抽出されることもあり、少量のトリチウムを得るためのリチウム6の使用に代わる選択肢となります。

リチウム6は、スピン1を持つ3つの安定同位体のうちの1つであり、他の2つは重水素と窒素14であり、安定核の中で最も小さい非ゼロの核電気四重極モーメントを持っています。[ 14 ]

2025年、チューリッヒ工科大学（ETH）とテキサスA&M大学の研究者らは、水銀を使用しないリチウム6の分離法を発表し、水銀を使用するCOLEX法に代わる新たな方法を提供しました。この技術は水質浄化研究中に偶然発見されたもので、ζ- V 2 O 5を用いてリチウム6イオンを選択的に捕捉します。これは核融合グレードのリチウム6の生産規模拡大に重要なステップとなり、核融合炉用リチウムをより費用対効果が高く安全に分離する方法につながる可能性があります。[ 15 ]

リチウム7

リチウム7はリチウムの最も豊富な同位体であり、地球上のリチウム全体の92.2%から98.1%を占めています。リチウム7原子は、陽子3個、中性子4個、電子3個で構成されています。リチウム7は核特性を持つため、ヘリウム、炭素、窒素、酸素の3つよりも重い原子核を持つにもかかわらず、宇宙ではリチウム7はそれらよりも一般的ではありません。キャッスル・ブラボー熱核実験は、リチウム7の核特性に関する誤った仮定のために、予想された出力を大幅に上回りました

リチウム6の工業生産では、リチウム7が濃縮され、リチウム6が減少する廃棄物が発生します。このリチウムは商業的に販売され、その一部は環境に放出されています。ペンシルベニア州のリチウム処理工場の下流に位置するウェストバレークリークの炭酸塩帯水層の地下水では、リチウム7の相対存在比が自然界の値より最大35%も高いことが測定されています。

リチウム7は、溶融塩炉（液体フッ化物原子炉）において溶融フッ化リチウムの一部として使用される。リチウム6の中性子吸収断面積（約940バーン[ 16 ] ）はリチウム7の中性子吸収断面積（約45ミリバーン）と比較して大きいため、リチウム7をフッ化リチウム原子炉で使用するためには、天然リチウムからリチウム7を高度に分離することが強く求められる。

リチウム-7水酸化物は加圧水型原子炉の冷却材のアルカリ化に使用されます。[ 17 ]

数ピコ秒間、リチウム7が生成され、その核にはラムダ粒子が含まれていますが、原子核には一般に中性子と陽子しか含まれていないと考えられています。[ 18 ] [ 19 ]

リチウム8

リチウム8はベータ崩壊を起こし、半減期828.9ミリ秒の非結合状態のベリリウム8になります。これは、最大エネルギー13.0MeV、平均エネルギー6.7MeVの異常に高エネルギーの電子反ニュートリノの発生源として提案されています。 [ 20 ] ISODAR素粒子物理学共同研究は、この目的のためにリチウム8を生成するための計画を説明しています。これは主にリチウム7の中性子捕獲によって生成され、サイクロトロン粒子加速器を用いたベリリウムへの高エネルギー衝撃によって生成される強力な中性子ビームです。[ 21 ]

リチウム11

リチウム11（半減期8.75ミリ秒）は、リチウム9の核と2つの緩く結合した中性子からなるハロー核です。この系が結合するには両方の中性子が存在する必要があるため、「ボロミアン核」と呼ばれます。[ 22 ]リチウム11の陽子の二乗平均平方根半径は2.18+0.16 −0.21 fmでは、中性子半径ははるかに大きくなります3.34+0.02 -0.08 fm ; 比較のために、 9 Liの対応する数値は陽子については2.076 ± 0.037 fm 、中性子に対しては2.4 ± 0.03 fmである。 [ 23 ]通常はベータ線と中性子放出によって崩壊し、10Beは崩壊後に他の粒子を放出したり、粒子を放出しなかったりすることもあります。上記の表に示すように、他に6つの測定方法が存在します

リチウム11は中性子の魔法数が8個で、5つの既知の反転島のうち最初の島に位置しており、これが隣接する原子核に比べて半減期が長いことの理由である。[ 24 ]

崩壊系列

ベリリウム同位体へのβ崩壊（多くの場合、単一または複数の中性子放出を伴う）は、リチウムのより重い同位体では支配的ですが、10李と12リチウムは中性子放出によって崩壊し9李と11中性子ドリップラインを越えた位置にあるため、それぞれリチウムと同位体です。リチウム11は7つの異なるベータ崩壊反応によって崩壊することも観測されています。リチウム11より軽い同位体は6リチウムは陽子線を超えると陽子放出によってのみヘリウム同位体へと崩壊します

参照

参考文献

  1. ^ a b c d e Kondev, FG; Wang, M.; Huang, WJ; Naimi, S.; Audi, G. (2021). 「NUBASE2020による核特性の評価」(PDF) . Chinese Physics C. 45 ( 3) 030001. doi : 10.1088/1674-1137/ abddae
  2. ^ 「標準原子量：リチウム」 CIAAW . 2009年。
  3. ^ Prohaska, Thomas; Irrgeher, Johanna; Benefield, Jacqueline; Böhlke, John K.; Chesson, Lesley A.; Coplen, Tyler B.; Ding, Tiping; Dunn, Philip JH; Gröning, Manfred; Holden, Norman E.; Meijer, Harro AJ (2022年5月4日). 「元素の標準原子量2021（IUPAC技術報告書）」 . Pure and Applied Chemistry . doi : 10.1515/pac-2019-0603 . ISSN 1365-3075 . 
  4. ^ Fields, Brian D. (2011). 「原始リチウム問題」 . Annual Review of Nuclear and Particle Science . 61 (1): 47– 68. arXiv : 1203.3551 . Bibcode : 2011ARNPS..61...47F . doi : 10.1146/annurev-nucl-102010-130445 . S2CID 119265528 . 
  5. ^標準宇宙線元素合成における6 Liの進化
  6. ^ Coplen, Tyler B.; Hopple, JA; Böhlke, John Karl; Peiser, H. Steffen; Rieder, SE; Krouse, HR; Rosman, Kevin JR; Ding, T.; Vocke, RD, Jr.; Révész, KM; Lamberty, A.; Taylor, Philip DP; De Bièvre, Paul; 「天然に存在する陸生物質および試薬中の特定元素の同位体比の最小値と最大値の集計」、米国地質調査所水資源調査報告書01-4222 (2002)。TB Coplen他 (2002) 「特定元素の同位体存在比変動（IUPAC技術報告書）」(PDF)より引用。Pure and Applied Chemistry。74 (10): 1987– 2017. doi : 10.1351/pac200274101987 . S2CID 97223816 . 2016年3月3日時点のオリジナル(PDF)からアーカイブ。 2012年10月29日閲覧。 
  7. ^ 「(Li)リチウムNMR」。
  8. ^ Wang, Meng; Huang, WJ; Kondev, FG; Audi, G.; Naimi, S. (2021). 「AME 2020 原子質量評価 (II). 表、グラフ、参考文献*」. Chinese Physics C. 45 ( 3) 030003. doi : 10.1088/1674-1137/abddaf .
  9. ^ a b「リチウムの原子量」ciaaw.org . 2021年10月21日閲覧。
  10. ^ Katal'nikov, SG; Andreev, BM (1962年3月1日). 「真空蒸留におけるリチウム同位体の分離係数」.ソビエト原子力ジャーナル. 11 (3): 889– 893. doi : 10.1007/BF01491187 . ISSN 1573-8205 . S2CID 96799991 .  
  11. ^ Badea, Silviu-Laurentiu; Niculescu, Violeta-Carolina; Iordache, Andreea-Maria (2023年4月). 「リチウム同位体の分離技術における新たな動向：化学分離法のレビュー」 . Materials . 16 ( 10): 3817. Bibcode : 2023Mate...16.3817B . doi : 10.3390/ma16103817 . ISSN 1996-1944 . PMC 10222844. PMID 37241444 .   
  12. ^ Barker, FC; Woods, CL (1985). 「5Heと5Liの状態」 . Australian Journal of Physics . 38 (4). CSIRO Publishing: 563. doi : 10.1071/ph850563 . ISSN 0004-9506 . 2025年4月10日閲覧。 
  13. ^ Bradshaw, AM; Hamacher, T.; Fischer, U. (2010). 「核融合は持続可能なエネルギー源か？」(PDF) . Fusion Engineering and Design . 86 (9): 2770– 2773. doi : 10.1016/j.fusengdes.2010.11.040 . hdl : 11858/00-001M-0000-0026-E9D2-6 . S2CID 54674085 . 
  14. ^ Chandrakumar, N. (2012). Spin-1 NMR . Springer Science & Business Media. p. 5. ISBN 978-3-642-61089-9。
  15. ^ Luis Carrillo, J.; et al. (2025年3月20日). 「1Dトンネル構造V₂O₃への選択的挿入に基づく電気化学的6Li同位体濃縮」. Cell . 11 (8) 102486. doi : 10.1016/ j.chempr.2025.102486
  16. ^ホールデン、ノーマン・E. (2010年1月～2月). 「リチウムの標準原子量に対する劣化リチウム6リチウムの影響」 .国際化学連合.国際純正応用化学連合. 2014年5月6日閲覧。
  17. ^重要同位元素の管理：リチウム7の安定供給を確保するには管理が必要、GAO-13-716 //米国会計検査院、2013年9月19日; pdf
  18. ^エムズリー、ジョン (2001). 『自然の構成要素：元素のAZガイド』オックスフォード大学出版局. pp.  234– 239. ISBN 978-0-19-850340-8。
  19. ^ Brumfiel, Geoff (2001年3月1日). 「信じられないほど縮む原子核」. Physical Review Focus . 第7巻. doi : 10.1103/PhysRevFocus.7.11 .
  20. ^国立核データセンターのENSDFから入手できます。「NuDat 3.0データベース」ブルックヘブン国立研究所。
  21. ^ Bungau, Adriana; Alonso, Jose; Bartoszek, Larry; Conrad, Janet (2018年5月). 「IsoDARニュートリノ実験における8 Li収量の最適化」. Journal of Instrumentation . 14 (3): 03001. arXiv : 1805.00410 . doi : 10.1088/1748-0221/14/03/P03001 . S2CID 55756525 . 
  22. ^ 「新しい粒子加速器は奇妙な原子核の秘密を解明することを目指す」 2021年11月15日。
  23. ^森口哲也;小沢 明;石本、S.安倍裕子;福田正人;ハチウマ、I。石橋裕也;伊藤裕子;窪木哲也；ランツ、M.永江大輔；波平、Ｋ．西村大将；大坪哲也;大石博司;須田 哲;鈴木博司；鈴木哲也;武智正史;田中和也；山口 哲也 (2013 年 8 月 16 日) 「反応断面積測定から推定された 11 Li の密度分布」。物理的レビュー C . 88 (2) 024610。ビブコード: 2013PhRvC..88b4610M。土井: 10.1103/PhysRevC.88.024610。
  24. ^ Brown, B. Alex (2010年12月13日). 「核図表における洞察の島々」 . Physics . 3 ( 25): 104. arXiv : 1010.3999 . doi : 10.1103/PhysRevLett.105.252501 . PMID 21231582. S2CID 43334780 .  
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