Isotopes du lithium

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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 suivent et le précèdent (respectivement béryllium et 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 à 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 de 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.

Lithium 4[modifier | modifier le code]

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 (demi-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[modifier | modifier le code]

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

Lithium 6[modifier | modifier le code]

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 servir d'absorbeur de neutrons dans des réactions de fusion nucléaire. De grandes quantités de 6Li ont été fractionnées isotopiquement pour usage dans des armes nucléaires.

Lithium 7[modifier | modifier le code]

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, appauvri en 6Li et 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 importants que le taux habituel dans la nature dans les eaux souterraines carbonatées sous la West Valley Creek en 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 donnée 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 par 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 plus 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[modifier | modifier le code]

Le lithium 8 (8Li) est un radioisotope du lithium possédant une demi-vie de 840 ms. Son noyau est formellement constitué de trois protons 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 deux 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[modifier | modifier le code]

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

Lithium 11[modifier | modifier le code]

Le lithium 11 (11Li) est un radioisotope du lithium possédant une demi-vie de 8,75 ms. Son noyau est formellement constitué de trois protons et de huit neutrons, mais il possède en réalité une structure de type noyau à halo : son noyau est constitué de trois protons et de six neutrons (un noyau de lithium 9), entouré par un « halo » constitué de deux neutrons. Il possède une section efficace exceptionnellement grande, 3,16 fm, comparable à celle du 208Pb. Il se désintègre par désintégration β- en béryllium 11 qui ensuite se désintègre également, principalement en béryllium 10 par émission de neutron.

Table[modifier | modifier le code]

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 (0,014 %) 8Li, 3H
β-, fission (0,013 %) 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[modifier | modifier le code]

  • 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 données de façon concise entre parenthèses 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 des 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[modifier | modifier le code]