Isotopes du lithium

Le lithium (Li) d'origine naturelle (masse atomique : 6.941(2) u) est présent dans la nature sous la forme de deux isotopes stables, 6Li et 7Li, ce dernier étant le plus abondant (92,5 %). Les deux isotopes ont une plus faible énergie de liaison nucléaire par nucléon que les deux éléments chimiques qui le suive (béryllium) et le précède (hélium) dans la classification périodique des éléments, ce qui signifie que c'est l'un des seuls éléments chimiques légers stables pouvant produire de l'énergie par fission nucléaire. En 2011, sept radioisotopes sont connus et caractérisés, les plus stables étant 8Li avec une demi-vie de 838 ms et 9Li avec une demi-vie de 178,3 ms. Tous les autres radioisotopes ont une demi-vie inférieure à 8,6 ms. Le radioisotope a la durée de vie la plus courte est 4Li qui se désintègre par émission de protons avec une demi-vie de 7,58043×10-23 s.

Le 7Li est nucléide primordial, produit lors de la nucléosynthèse primordiale (une petite quantité de 6Li est aussi produite par les étoiles). Les isotopes du lithium se fractionnent de façon substantielle lors de différents processus naturels, par exemple lors la formation de minéraux (précipitation chimique), par le métabolisme et par échange d'ions. Les ions du lithium se substituent à ceux du magnésium et du fer dans les arrangements octaédriques des minéraux argileux, où le 6Li est préféré au 7Li, ce qui cause une augmentation de la concentration de l'isotope plus léger lors des processus d'hyperfiltration et d'altération des roches.

Sommaire

Lithium 4

Le lithium 4 (4Li) possède un noyau composé de trois protons et d'un neutron. C'est l'isotope du lithium avec la durée de vie la plus courte (demie vie de 9,1×10-23 s et il se désintègre par émission de proton en 3He. Il peut être formé comme intermédiaire dans certaines réactions de fusion nucléaire.

Lithium 5

Le lithium 5 (5Li) possède un noyau composé de trois protons et de deux neutron. Su durée de vie est courte (demie vie de 370×10-23 s et il se désintègre par émission de proton en 4He.

Lithium 6

Le lithium 6 (6Li) possède un noyau composé de trois protons et de trois neutrons. Stable, il constitue environ 7,5% du lithium présent dans la nature. C'est un matériau de choix pour la production de tritium, et il peut aussi servit d'absorbeur de neutrons dans des réactions de fusion nucléaire. De grandes quantités de 6Li ont été fractionné isotopiquement pour usage dans des armes nucléaires.

Lithium 7

Le lithium 7 (7Li) est l'isotope stable le plus abondant du lithium (92,5%). Son noyau est constitué de trois protons et de quatre neutrons

Du matériau utilisé dans la production de 6Li, et donc appauvri en 6Li est donc enrichi en 7Li est disponible dans le commerce, et une partie est aussi déversée dans la nature. Ainsi, il a été mesuré des taux en 7Li 35,4% plus important que le taux habituel dan la nature dans les eaux souterraines carbonatées sous la West Valley Creek enn Pennsylvanie, qui se trouve en aval d'une usine de traitement du lithium. Dans le matériau appauvri en 6Li, l'abondance de cet isotope peut être réduite jusqu'à 80% de sa valeur normale, ce qui lui donne une masse atomique variant entre 6,94 u et 6,99 u. Ainsi, la composition isotopique du lithium dépend grandement de son origine et une mesure précise de la masse atomique relative ne peut être donné pour tous les échantillons en général.

Le 7Li est utilisé sous la forme de fluorure de lithium, un solvant utilisé dans les réacteurs nucléaires à fluor liquide. De part la grande différence entre la section efficace pour l'absorption de neutrons du 6Li (941 barns, thermique), particulièrement élevée, et celle du 7Li (0,045 barns, thermique) bien pus faible, il est essentiel de faire une séparation isotopique stricte du lithium dans ce cadre .

L'hydroxyde de lithium 7 est aussi utilisé pour l'alcalinisation du liquide de refroidissement dans les réacteurs à eau pressurisée.

Lithium 8

Le lithium 8 (8Li) est un radioisotope du lithium possédant une demi-vie de 840 ms. Son noyau est formellement constitué de trois portons et de cinq neutrons, mais il possède en réalité une structure de type noyau à halo : son noyau est constitué de deux protons et de neutrons (un noyau d'hélium 4) entouré par un « halo » constitué d'un proton et de trois neutrons. Il se désintègre par désintégration β- suivie d'une fission en deux atomes d'4He.

Lithium 9

Le lithium 9 (9Li) est un radioisotope du lithium possédant une demi-vie de 178. ms. Son noyau est constitué de trois portons et de six neutrons. Il se désintègre désintégration β- en béryllium 9, suivie 50,8% du temps par émission de neutron pour former le béryllium 8

Lithium 11

Le lithium 11 (11Li) est un radioisotope du lithium possédant une demi-vie de 8,75 ms. Son noyau est formellement constitué de trois portons et de huit neutrons, mais il possède en réalité une structure de type noyau à halo : son noyau est constitué de trois six neutrons protons et de neutrons (un noyau de lithium 9) entouré par un « halo » constitué deux neutrons. Il possède une section efficace exceptionnellement grande, 3,16 fm, comparable à celle du désintégration β- en béryllium 11 qui ensuite se désintègre également, principalement en béryllium 10 par émission de neutron.

Table

Symbole
de l’isotope
Z (p) N (n) masse isotopique (u) demi-vie mode(s) de
désintégration[1]
isotope(s)-fils[n 1] spin nucléaire composition isotopique
représentative
(fraction molaire)
gamme de
variations naturelles
(fraction molaire)
énergie d'excitation
4Li 3 1 4,02719 (23) 91(9)×10-24 s
[6,03 MeV]
p 3He 2-
5Li 3 2 5,01254 (5) 370(30)×10-24 s
[~1,5 MeV]
p 4He 3/2-
6Li 3 3 6,015122795 (16) Stable 1+ [0,0759 (4)] 0,07714-0,07225
7Li[n 2] 3 4 7,01600455 (8) Stable 3/2- [0,9241(4)] 0,92275-0,92786
8Li 3 5 8,02248736(10) 840,3(9) ms β-, fission 2 4He 2+
9Li 3 6 9,0267895(21) 178,3(4) ms β-, n (50.8%) 8Be[n 3] 3/2-
β- (49.2%) 9Be
10Li 3 7 10,035481 (16) 2,0(5)×10-21 s
[1,2(3) MeV]
n 9Li (1-,2-)
10m1Li 200(40) keV 3,7(15)×10-21 s 1+
10m2Li 480(40) keV 1,35(24)×10-21 s 2+
11Li[n 4] 3 8 11,043798(21) 8,75(14) ms β-, n (84.9%) 10Be 3/2-
β- (8.07%) 11Be
β-, 2n (4.1%) 9Be
β-, 3n (1.9%) 8Be[n 5]
β-, fission (1.0%) 7He, 4He
β-, fission (.014%) 8Li, 3H
β-, fission (.013%) 9Li, 2H
12Li 3 9 12,05378(107)# <10 ns n 11Li
  1. Isotopes stables en gras
  2. Produit lors de la Nucléosynthèse primordiale
  3. Se désintègre immédiatement en deux atomes d'4He par la réaction 9Li -> 24He + 1n + e-
  4. Possède un halo de 2 neutrons
  5. Se désintègre immédiatement en 4He par la réaction 11Li -> 24He + 31n + e-

Remarques

  • La précision de l'abondance isotopique et de la masse atomique est limitée par des variations. Les échelles de variations données sont normalement valables pour tout matériel terrestre normal.
  • Il existe des échantillons géologiques exceptionnels dont la composition isotopique est en dehors de l'échelle donnée. L'incertitude sur la masse atomique de tels spécimens peut excéder les valeurs données.
  • Dans le matériau appauvri en 6Li, l'abondance de cet isotope peut être réduite jusqu'à 80% de sa valeur normale, ce qui lui donne une masse atomique variant entre 6,94 u et 6,99 u.
  • Les valeurs marquées # ne sont pas purement dérivées des données expérimentales, mais aussi au moins en partie à partir des tendances systématiques. Les spins avec des arguments d'affectation faibles sont entre parenthèses.
  • Les incertitudes sont donnée de façon concise entre parenthèse après la décimale correspondante. Les valeurs d'incertitude dénotent un écart-type, à l'exception de la composition isotopique et de la masse atomique standard de l'IUPAC qui utilisent incertitudes élargies.
  • 11Li possède un noyau à halo, halo constitué de deux neutrons faiblement liés, ce qui explique la différence de rayon très importante par rapport aux autres isotopes.

Notes et références

  • Masse des isotopes depuis :
    • G. Audi, A. H. Wapstra, C. Thibault, J. Blachot and O. Bersillon, « The NUBASE evaluation of nuclear and decay properties », dans Nuclear Physics A, vol. 729, 2003, p. 3–128 [texte intégral, lien DOI] 
  • Compositions isotopiques et masses atomiques standards :
  • Demi-vie, spin et données sur les isomères sélectionnés depuis les source suivantes :

Voir aussi


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