ایزوتوپ‌های لیتیوم: نیمه‌عمر، واپاشی و رازهای هسته اتم

اتم‌های لیتیوم همگی دارای سه پروتون هستند، اما تعداد نوترون‌های آن‌ها می‌تواند بین صفر تا نه متغیر باشد. این تفاوت در تعداد نوترون‌ها منجر به وجود ده ایزوتوپ شناخته شده از لیتیوم می‌شود که از Li-3 تا Li-12 را شامل می‌شوند.

ایزوتوپ‌های لیتیوم، بسته به میزان انرژی هسته و عدد کوانتومی تکانه زاویه‌ای کل، ممکن است مسیرهای واپاشی متعددی داشته باشند. به دلیل اینکه نسبت ایزوتوپی طبیعی لیتیوم بسته به منبع نمونه به طور قابل توجهی تغییر می‌کند، بهترین راه برای بیان وزن اتمی استاندارد این عنصر، استفاده از یک محدوده (به عنوان مثال 6.9387 تا 6.9959) به جای یک مقدار ثابت است. این محدوده، بازتابی از تنوع موجود در ایزوتوپ‌های لیتیوم در طبیعت است.

درک رفتار و ویژگی‌های ایزوتوپ‌های لیتیوم، نقش مهمی در زمینه‌های مختلف علمی از جمله فیزیک هسته‌ای، شیمی و انرژی هسته‌ای دارد.

نیمه‌عمر و واپاشی ایزوتوپ‌های لیتیوم

جدول زیر، فهرست کاملی از ایزوتوپ‌های لیتیوم، نیمه‌عمر هر ایزوتوپ و نوع واپاشی پرتوزای آن را نشان می‌دهد. در مواردی که یک ایزوتوپ، مسیرهای واپاشی متعددی دارد، نیمه‌عمر به صورت یک بازه بین کوتاه‌ترین و طولانی‌ترین زمان ممکن برای آن نوع واپاشی خاص، ارائه شده است. این تنوع در مسیرهای واپاشی، نشان‌دهنده پیچیدگی رفتار هسته‌ای ایزوتوپ‌های لیتیوم است.

ایزوتوپ	نیمه‌عمر	نوع واپاشی
Li-3	--	p (گسیل پروتون)
Li-4	4.9 x 10-23 ثانیه - 8.9 x 10-23 ثانیه	p (گسیل پروتون)
Li-5	5.4 x 10-22 ثانیه	p (گسیل پروتون)
Li-6	پایدار 7.6 x 10-23 ثانیه - 2.7 x 10-20 ثانیه	N/A (ناپایدار) α, 3H, IT, n, p (احتمالی)
Li-7	پایدار 7.5 x 10-22 ثانیه - 7.3 x 10-14 ثانیه	N/A (ناپایدار) α, 3H, IT, n, p (احتمالی)
Li-8	0.8 ثانیه 8.2 x 10-15 ثانیه 1.6 x 10-21 ثانیه - 1.9 x 10-20 ثانیه	β- (واپاشی بتا منفی) IT (گذار ایزومری) n (گسیل نوترون)
Li-9	0.2 ثانیه 7.5 x 10-21 ثانیه 1.6 x 10-21 ثانیه - 1.9 x 10-20 ثانیه	β- (واپاشی بتا منفی) n (گسیل نوترون) p (گسیل پروتون)
Li-10	نامشخص 5.5 x 10-22 ثانیه - 5.5 x 10-21 ثانیه	n (گسیل نوترون) γ (گسیل فوتون گاما)
Li-11	8.6 x 10-3 ثانیه	β- (واپاشی بتا منفی)
Li-12	1 x 10-8 ثانیه	n (گسیل نوترون)

توضیحات انواع واپاشی:

• α (واپاشی آلفا): گسیل هسته هلیوم
• β- (واپاشی بتا منفی): گسیل الکترون و پادنوترینو
• γ (فوتون گاما): گسیل فوتون پرانرژی
• 3H (هسته هیدروژن-3 یا تریتیم): گسیل هسته تریتیم
• IT (گذار ایزومری): تغییر حالت هسته بدون تغییر عدد اتمی یا عدد جرمی
• n (گسیل نوترون): گسیل نوترون
• p (گسیل پروتون): گسیل پروتون

لیتیوم-3

لیتیوم-3 از طریق گسیل پروتون واپاشی شده و به هلیوم-2 تبدیل می‌شود. این فرآیند، نمونه‌ای از واپاشی هسته‌ای است که در آن یک هسته ناپایدار با از دست دادن ذرات، به یک هسته پایدارتر تبدیل می‌شود.

لیتیوم-4

لیتیوم-4 به سرعت (در مقیاس یوکتوثانیه) از طریق گسیل پروتون واپاشی شده و به هلیوم-3 تبدیل می‌شود. همچنین، این ایزوتوپ به عنوان یک واسطه در سایر واکنش‌های هسته‌ای نیز تشکیل می‌گردد. ناپایداری شدید لیتیوم-4، آن را به یک ایزوتوپ بسیار کمیاب و زودگذر تبدیل کرده است.

لیتیوم-5

لیتیوم-5 از طریق گسیل پروتون، واپاشی می‌کند و به هلیوم-4 تبدیل می‌شود. این فرآیند واپاشی، منجر به آزاد شدن یک پروتون از هسته لیتیوم-5 و تبدیل آن به هسته پایدارتر هلیوم-4 می‌گردد.

لیتیوم-6

لیتیوم-6 یکی از دو ایزوتوپ پایدار لیتیوم است. با این حال، این ایزوتوپ دارای یک حالت نیمه‌پایدار (Li-6m) نیز می‌باشد که تحت یک گذار ایزومری به لیتیوم-6 تبدیل می‌شود. این گذار ایزومری، نوعی واپاشی هسته‌ای است که در آن هسته بدون تغییر عدد جرمی یا عدد اتمی، به حالت انرژی پایین‌تری می‌رود.

لیتیوم-7

لیتیوم-7 دومین ایزوتوپ پایدار لیتیوم و فراوان‌ترین آن‌ها است. این ایزوتوپ حدود 92.5 درصد از لیتیوم طبیعی را تشکیل می‌دهد. با توجه به ویژگی‌های هسته‌ای خاص لیتیوم، فراوانی آن در جهان نسبت به عناصری مانند هلیوم، بریلیم، کربن، نیتروژن و اکسیژن کمتر است.

لیتیوم-7 در فلورید لیتیوم مذابِ راکتورهای نمک مذاب به کار می‌رود. از آنجا که لیتیوم-6 سطح مقطع جذب نوترونی بسیار بالاتری (940 بارن) نسبت به لیتیوم-7 (45 میلی‌بارن) دارد، لیتیوم-7 باید قبل از استفاده در راکتور، از سایر ایزوتوپ‌های طبیعی جدا شود. همچنین، لیتیوم-7 برای قلیایی کردن خنک‌کننده در راکتورهای آب تحت فشار نیز استفاده می‌شود. در هسته لیتیوم-7، حضور ذرات لامبدا (برخلاف ترکیب معمول فقط پروتون و نوترون) به صورت موقت مشاهده شده است.

لیتیوم-8

لیتیوم-8 واپاشی می‌کند و به بریلیم-8 تبدیل می‌شود. این واپاشی نشان‌دهنده ناپایداری ایزوتوپ لیتیوم-8 و تلاش آن برای رسیدن به حالت پایدارتر با تغییر در ترکیب هسته‌ای خود است.

لیتیوم-9

لیتیوم-9 به دو طریق واپاشی می‌شود: تقریباً نیمی از زمان از طریق واپاشی بتا منفی به بریلیم-9 تبدیل می‌شود، و در نیمه دیگر موارد، از طریق گسیل نوترون واپاشی می‌کند. این دو مسیر واپاشی متفاوت، نشان‌دهنده راه‌های مختلفی است که لیتیوم-9 برای رسیدن به حالت پایدارتر طی می‌کند.

لیتیوم-10

لیتیوم-10 از طریق گسیل نوترون واپاشی کرده و به لیتیوم-9 تبدیل می‌شود. اتم‌های لیتیوم-10 ممکن است حداقل در دو حالت نیمه‌پایدار وجود داشته باشند: Li-10m1 و Li-10m2. این حالات نیمه‌پایدار نشان‌دهنده سطوح انرژی مختلف در هسته لیتیوم-10 هستند که قبل از واپاشی به لیتیوم-9 در آن قرار می‌گیرند.

لیتیوم-11

اعتقاد بر این است که لیتیوم-11 دارای هسته‌ای هاله‌ای است. این بدان معناست که هر اتم دارای یک هسته مرکزی حاوی سه پروتون و هشت نوترون است، اما دو عدد از نوترون‌ها به دور پروتون‌ها و سایر نوترون‌ها می‌چرخند. لیتیوم-11 از طریق گسیل بتا واپاشی کرده و به Be-11 تبدیل می‌شود. ساختار هسته‌ای هاله‌ای لیتیوم-11، آن را به یک ایزوتوپ منحصربه‌فرد با خواص غیرمعمول تبدیل کرده است.

لیتیوم-12

لیتیوم-12 به سرعت از طریق گسیل نوترون واپاشی می‌کند و به لیتیوم-11 تبدیل می‌شود. این واپاشی سریع نشان‌دهنده ناپایداری بالای ایزوتوپ لیتیوم-12 است.