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리튬 동위 원소

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목차

1. 개요

리튬 동위 원소는 리튬-3부터 리튬-13까지 존재하며, 핵 스핀, 반감기, 붕괴 방식, 자연 존재비 등 다양한 특성을 보인다. 자연 상태에서는 주로 리튬-6과 리튬-7이 존재하며, 리튬-6은 핵물리학에서 삼중수소 생산 및 중성자 흡수 물질로, 리튬-7은 가압 경수로 냉각수 알칼리화에 사용된다. 리튬-6의 산업적 생산 과정에서 리튬-7이 농축된 폐기물이 발생하며, 이는 환경 오염을 일으킬 수 있다. 핵융합 분야에서 리튬-6은 중수소-삼중수소 핵융합 반응의 원료로, 리튬-7은 용융염 원자로에 사용된다. 대한민국은 리튬을 전량 수입에 의존하고 있어, 정부는 해외 광산 투자 및 폐배터리 재활용 기술 개발을 통해 리튬 확보 전략을 추진하고 있다.

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리튬 동위 원소
핵 데이터
원소 기호Li
참고 테이블해당 없음
nubase2020 참고예
동위 원소mn: 6
sym: Li
na: "[1.9%, 7.8%]"
hl: 안정적
mn: 7
sym: Li
na: "[92.2%, 98.1%]"
hl: 안정적
각주6Li가 고갈된 샘플의 넓은 분포로 인해 상업 샘플에서 상당한 변동이 발생함.
에너지 준위
참고 문헌
원자량

2. 동위 원소 목록

핵종Z(p)N(n)동위 원소 질량 (u)반감기붕괴 방식[30][31]붕괴 생성물[30][31]핵 스핀천연 존재비
(몰 분율)천연 존재비의 범위
(몰 분율)3Li303.030775<1ns (추정)4Li314.02719(23)91(9)×10-24 s
[6.03 MeV]p3He2-5Li325.01254(5)370(30)×10-24 s
[~1.5 MeV]p4He3/2−6Li336.015122795(16)안정1+[0.0759(4)]0.07714-0.072257Li[32]347.01600455(8)안정3/2−[0.9241(4)]0.92275-0.927868Li358.02248736(10)840.3(9) msβ−8Be[33]2+9Li369.0267895(21)178.3(4) msβ−, n (50.8%)8Be[34]3/2−rowspan=2|rowspan=2|β− (49.2%)9Be10Li3710.035481(16)2.0(5)×10-21 s
[1.2(3) MeV]n9Li(1−,2−)10m1Li200(40) keV3.7(15)×10-21 s1+10m2Li480(40) keV1.35(24)×10-21 s2+11Li3811.043798(21)8.75(14) msβ−, n (84.9%)10Be3/2−rowspan=7|rowspan=7|β− (8.07%)11Beβ−, 2n (4.1%)9Beβ−, 3n (1.9%)8Be[35]β−, 방사성 붕괴 (1.0%)7He, 4Heβ−, 방사성 붕괴 (0.014%)8Li, 3Hβ−, 방사성 붕괴 (0.013%)9Li, 2H12Li3912.05378(107)#<10 nsn11Li



무거운 리튬 동위 원소는 주로 베릴륨 동위 원소로 β− 붕괴(종종 단일 또는 다중 중성자 방출과 결합됨)한다. 리튬-10한국어과 리튬-12한국어는 중성자 방울선 너머에 위치하기 때문에 각각 중성자 방출을 통해 리튬-9한국어와 리튬-11한국어로 붕괴한다. 리튬-11은 또한 여러 형태의 핵분열을 통해 붕괴하는 것으로 관찰되었다. 리튬-6한국어보다 가벼운 동위 원소는 양성자 방울선 너머에 있기 때문에 양성자 방출을 통해서만 붕괴한다. 리튬-10한국어의 두 이성질체 붕괴 방식은 알려져 있지 않다.

2. 1. 리튬-3

'''리튬-3'''(3Li) 또는 '''트리프로톤'''은 3개의 양성자와 0개의 중성자로 구성된 리튬 동위 원소이다. 1969년에 양성자 결합되지 않음으로 보고되었지만, 이 결과는 받아들여지지 않아 존재가 증명되지 않았다.[14] 다른 공명은 보고되지 않았으며, (디프로톤과 마찬가지로) 즉시 양성자 방출에 의해 붕괴될 것으로 예상된다.[14]

2. 2. 리튬-4

'''리튬-4'''는 양성자 3개와 중성자 1개로 구성된 리튬의 동위 원소이다. 반감기가 9.1×10-23초로 리튬 동위 원소 중 가장 짧다.[29] 양성자 방출을 통해 헬륨-3으로 붕괴한다.[15] 일부 핵융합 반응의 중간 생성물로 형성될 수 있다.

2. 3. 리튬-6

리튬-6은 리튬의 안정적인 동위 원소이다. 전체 리튬 중에서 약 7.5% 정도를 차지한다. 중성자를 쬐면 삼중수소를 방출하므로 핵물리학에서 상당히 중요한 동위 원소로 취급된다.

트리튬(수소-3) 생산을 위한 원료로, 핵융합 반응에서 중성자 흡수 물질로 가치가 높다. 일반적인 물질에서 지각 리튬의 1.9%에서 7.8%가 리튬-6으로 구성되어 있으며, 나머지는 리튬-7이다. 대량의 리튬-6이 열핵무기에 사용하기 위해 분리되었다.

중수소-삼중수소 핵융합 반응은 실행 가능한 구현을 위한 충분한 에너지 출력을 가진 유일한 핵융합 반응이기 때문에, 잠재적인 에너지원으로 연구되어 왔다. 이 시나리오에서는 필요한 양의 트리튬을 생성하기 위해 리튬-6이 농축된 리튬이 필요할 것이다. 광물 및 염수 리튬 자원은 이 시나리오에서 잠재적인 제한 요인이지만, 해수 또한 결국 사용될 수 있다.[16] 가압 중수형 원자로인 CANDU는 냉각제/감속재에서 중성자 흡수를 통해 소량의 트리튬을 생산하며, 이는 리튬-6 사용의 대안으로 때때로 추출된다.

리튬-6은 스핀이 1인 네 개의 안정 동위 원소 중 하나이며, 다른 세 개는 중수소, 붕소-10, 질소-14이다.[17] 안정적인 핵 중에서 0이 아닌 가장 작은 핵 사중극자 모멘트를 갖는다. 리튬-6은 트리튬의 원료 물질이 되며, 핵융합 반응의 중성자 흡수재로도 사용된다. 천연 리튬의 7.5%를 차지한다. 리튬-6의 대부분은 핵무기에 사용하기 위해 분리된다.

리튬-6은 중성자를 흡수하여 트리튬과 헬륨-4를 생성한다. 이 반응은 발열 반응이다.[27]

:6Li + n = T + 4He + 4.8 MeV

2. 4. 리튬-7

리튬-7은 전체 리튬 중에서 92.5%를 차지하는 동위 원소이다. 리튬-7과 양성자의 반응은 핵융합 반응의 하나이다.

리튬-7은 지구상 모든 리튬의 92.2%에서 98.1%를 차지하는 가장 풍부한 동위 원소이다. 리튬-7 원자는 양성자 3개, 중성자 4개, 전자 3개를 포함한다. 핵 특성 때문에, 리튬-7은 헬륨, 탄소, 질소, 산소보다 우주에서 덜 흔하다.[18] 캐슬 브라보 열핵 실험은 리튬-7의 핵 특성에 대한 부정확한 가정으로 인해 예상 생산량을 크게 초과했다.

리튬-6의 산업적 생산 과정에서 리튬-7이 농축되고 리튬-6이 고갈된 폐기물이 발생한다. 이 물질은 상업적으로 판매되었으며, 일부는 환경으로 방출되었다. 리튬 처리 공장 하류에 위치한 펜실베이니아의 웨스트 밸리 크릭 아래의 탄산염 대수층 지하수에서 자연 값보다 최대 35% 높은 리튬-7의 상대적 풍부함이 측정되었다.[18]

리튬-7은 용융 리튬 플루오라이드의 일부로 용융염 원자로에 사용된다. 액체 플루오라이드 원자력 발전소이다. 리튬-6의 큰 중성자 단면적 (약 940 반[19])은 리튬-7의 매우 작은 중성자 단면적 (약 45 밀리반)에 비해 리튬 플루오라이드 원자로에서 사용할 가능성을 위해 천연 리튬에서 리튬-7을 고도로 분리해야 하는 강력한 요구 사항이 된다.

수산화 리튬-7은 가압 경수로의 냉각수를 알칼리화하는 데 사용된다.[20]

리튬-7은 중성자를 흡수하여 삼중수소와 헬륨-4, 그리고 중성자를 생성한다. 이 반응은 흡열 반응이다.[27]

:7Li+n+2.5MeV=T+4He+n

2. 5. 리튬-8

Lithium-8영어은 리튬의 매우 불안정한 동위 원소이다. Lithium-8영어과 중수소의 반응은 핵융합 반응의 하나이다.

Lithium-8영어은 베릴륨-8로의 역베타 붕괴로 생성되는 6.4 MeV 전자 반중성미자의 공급원으로 제안되었다. ISODAR 입자물리학 협력은 사이클로트론 입자 가속기에서 생성된 60 MeV 양성자로 안정적인 Lithium-7영어을 폭격하여 즉시 붕괴시킬 Lithium-8영어을 생성하는 방식을 설명한다.[23]

2. 6. 리튬-11

'''리튬-11'''은 두 개의 느슨하게 결합된 중성자로 둘러싸인 리튬-9 핵으로 구성된 헤일로 핵이다. 이 시스템이 결합되기 위해서는 두 중성자가 모두 존재해야 하며, 이로 인해 "보로미안 핵"으로 묘사된다.[24] 11Li의 양성자 제곱 평균 제곱근 반경은 2.18±0.16(최저)~0.21(최고)fm인 반면, 중성자 반경은 3.34±0.02(최저)~0.08(최고)fm로 훨씬 더 크다. 비교를 위해, 9Li의 해당 수치는 양성자의 경우 2.076±0.037fm, 중성자의 경우 2.4±0.03fm이다.[25] 베타 붕괴와 중성자 방출을 통해 Be-10, Be-11, 또는 Be-9으로 붕괴된다 (위와 아래 표 참조). 8개의 중성자를 가지는 마법수를 가지고 있는 리튬-11은 알려진 5개의 반전 섬 중 첫 번째 섬에 위치하며, 이는 인접한 핵에 비해 더 긴 반감기를 갖는 이유를 설명한다.[26]

2. 7. 리튬-12

Lithium-12영어는 훨씬 짧은 반감기를 갖는다. 이는 중성자 방출을 통해 리튬-11로 붕괴된다.[1]

3. 동위 원소 분리

리튬 동위 원소를 분리하는 방법은 다음과 같다.

3. 1. Colex 분리법

리튬-6은 화학 원소인 수은에 대해 리튬-7보다 더 큰 친화성을 가지고 있다. 리튬과 수은의 아말감을 수산화 리튬 용액에 첨가하면 리튬-6은 아말감에 더 많이 농축되고 리튬-7은 수산화물 용액에 더 많이 남게 된다.

COLEX ('''col'''umn '''ex'''change, 컬럼 교환) 분리 방법은 아말감과 수산화물의 역류를 여러 단계의 캐스케이드로 통과시켜 이러한 현상을 이용한다. 리튬-6의 분획은 수은에 의해 우선적으로 배출되지만 리튬-7은 대부분 수산화물과 함께 흐른다.[1] 컬럼 하단에서 리튬(리튬-6으로 농축됨)은 아말감으로부터 분리되고 수은은 회수되어 신선한 원료와 함께 재사용된다. 상단에서 수산화 리튬 용액은 전해되어 리튬-7 분획이 방출된다. 이 방법으로 얻는 농축은 컬럼의 길이와 유속에 따라 달라진다.[1]

3. 2. 진공 증류법

진공 증류 기술에서, 리튬은 진공 상태에서 약 550°C의 온도로 가열된다. 리튬 원자는 액체 표면에서 증발하여 액체 표면 위 몇 센티미터 위에 위치한 차가운 표면에 모인다.[12] 리튬-6 원자가 더 큰 평균 자유 행로를 가지므로, 이를 우선적으로 수집한다. 이 방법의 이론적 분리 효율은 약 8.0%이다. 더 높은 분리도를 얻기 위해 다단계 공정을 사용할 수 있다.

3. 3. 기타 방법

원칙적으로 리튬의 동위 원소는 현재 개발 중인 전기화학적 방법과 증류 크로마토그래피를 통해서도 분리할 수 있다.[13]

4. 핵융합에서의 역할

리튬-6은 트리튬(삼중수소) 생산의 원료로 사용되며, 핵융합 반응에서 중성자를 흡수하는 역할을 한다. 중수소-삼중수소 핵융합 반응은 현재 기술로 구현 가능한 유일한 핵융합 반응으로 여겨지는데, 이 반응에 필요한 삼중수소를 얻기 위해 리튬-6이 농축된 리튬이 필요하다.[16]

리튬-6은 중성자를 흡수하여 다음과 같이 삼중수소와 헬륨-4를 생성한다. 이 반응은 발열 반응이다.[27]

:6Li + n = T + 4He + 4.8MeV

리튬-7은 플루오린화 리튬 형태로 액체 불소 원자로의 용매로 사용되며, 리튬-7의 수산화물은 가압수형 원자로 냉각재의 알칼리성을 높이는 데 사용된다.

리튬-7은 중성자를 흡수하여 삼중수소, 헬륨-4, 중성자를 생성하는 흡열 반응을 일으킨다.[27]

:7Li + n + 2.5MeV = T + 4He + n

5. 환경 및 안전 문제

리튬-6의 산업적 생산 과정은 리튬-7이 농축되고 리튬-6이 고갈된 폐기물을 생성한다. 이러한 폐기물은 상업적으로 판매되거나 일부는 환경에 방출되기도 한다.[18] 펜실베이니아 주 웨스트 밸리 크릭의 탄산염 대수층 지하수에서는 자연 상태보다 최대 35% 높은 리튬-7의 상대적 풍부함이 측정되기도 하였는데, 이는 리튬 처리 공장 하류에서 발생한 현상이다. 일반적인 물질의 리튬 동위 원소 조성은 그 기원에 따라 다소 차이가 있을 수 있어, 원자재의 상대적 원자 질량을 결정하는 데 영향을 준다. 따라서 모든 리튬 원료에 대해 리튬 샘플의 정확한 상대적 원자 질량을 측정하는 것은 불가능하다.[18]

리튬-7은 용융염 원자로에서 용융 플루오린화 리튬의 일부로 사용된다. 이는 액체 플루오라이드 원자력 발전소의 한 형태이다. 리튬-6는 큰 중성자 단면적 (약 940 반[19])을 가지는 반면, 리튬-7은 매우 작은 중성자 단면적 (약 45 밀리반)을 가진다. 이러한 특성 때문에 플루오린화 리튬 원자로에서 사용하기 위해서는 천연 리튬에서 리튬-7을 고도로 분리해야 한다.

수산화 리튬-7은 가압 경수로의 냉각수를 알칼리화하는 데 사용된다.[20]

참조

[1] 논문 The Primordial Lithium Problem
[2] 웹사이트 (Li) Lithium NMR https://chem.ch.huji[...]
[3] 문서 Discovery of this isotope is unconfirmed
[4] 문서 Decay mode shown is energetically allowed, but has not been experimentally observed to occur in this nuclide.
[5] 문서 One of the few stable [[even and odd atomic nuclei#Odd proton, odd neutron|odd-odd nuclei]]
[6] 웹사이트 Atomic Weight of Lithium https://ciaaw.org/li[...] 2021-10-21
[7] 문서 Produced in [[Big Bang nucleosynthesis]] and by [[cosmic ray spallation]]
[8] 문서 Immediately decays into two [[alpha particle|α-particles]] for a net reaction of 8Li → 2'''4He''' + e−
[9] 문서 Immediately decays into two α-particles for a net reaction of 9Li → 2'''4He''' + 1n + e−
[10] 문서 Has 2 [[halo nucleus|halo]] neutrons
[11] 문서 Immediately decays into two '''4He''' atoms for a net reaction of 11Li → 2'''4He''' + 31n + e−
[12] 논문 The separation factor of lithium isotopes during vacuum distillation https://doi.org/10.1[...] 1962-03-01
[13] 논문 New Trends in Separation Techniques of Lithium Isotopes: A Review of Chemical Separation Methods 2023-04
[14] 논문 Energy Levels of Light Nuclei (''A'' = 3) http://www.tunl.duke[...] 2020-01-03
[15] 웹사이트 Isotopes of Lithium http://periodictable[...] 2013-10-20
[16] 논문 Is nuclear fusion a sustainable energy form? https://th.fhi-berli[...] 2010
[17] 서적 Spin-1 NMR https://books.google[...] Springer Science & Business Media 2012
[18] 논문 Isotope-Abundance Variations of Selected Elements (IUPAC technical report) http://pac.iupac.org[...] 2012-10-29
[19] 논문 The Impact of Depleted 6Li on the Standard Atomic Weight of Lithium http://www.iupac.org[...] International Union of Pure and Applied Chemistry 2014-05-06
[20] 간행물 Managing Critical Isotopes: Stewardship of Lithium-7 Is Needed to Ensure a Stable Supply, GAO-13-716 http://www.gao.gov/p[...] U.S. Government Accountability Office 2013-09-19
[21] 서적 Nature's Building Blocks: An A-Z Guide to the Elements https://books.google[...] Oxford University Press
[22] 잡지 The Incredible Shrinking Nucleus 2001-03-01
[23] 논문 Optimizing the 8Li yield for the IsoDAR Neutrino Experiment 2018-05
[24] 웹사이트 A new particle accelerator aims to unlock secrets of bizarre atomic nuclei https://www.sciencen[...] 2021-11-15
[25] 논문 Density distributions of 11 Li deduced from reaction cross-section measurements https://www.research[...] 2013-08-16
[26] 논문 Islands of insight in the nuclear chart https://physics.aps.[...] 2010-12-13
[27] 웹사이트 Laser Fusion Rocket http://art.aees.kyus[...] 2022-07-16
[28] 논문 The Primordial Lithium Problem http://arxiv.org/pdf[...]
[29] 웹인용 Isotopes of Lithium http://periodictable[...] 2013-10-20
[30] 웹인용 Universal Nuclide Chart http://www.nucleonic[...] Nucleonica 2012-09-27
[31] 문서 굵은 글씨는 [[안정 동위 원소]]
[32] 문서 [[빅뱅 핵합성]]의 결과물로 생성된다.
[33] 문서 생성되자마자 [[헬륨-4|4He]] 원자 2개와 [[전자]] 1개로 붕괴한다.
[34] 문서 생성되자마자 [[헬륨-4|4He]] 원자 2개, [[중성자]] 1개, [[전자]] 1개로 붕괴한다.
[35] 문서 생성되자마자 [[헬륨-4|4He]] 원자 2개, [[중성자]] 3개, [[전자]] 1개로 붕괴한다.


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