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天然に存在するリチウム（³Li）は、安定同位体であるリチウム⁶（⁶Li）とリチウム⁷（⁷Li）の2種類から構成されており、後者の方が地球上に豊富に存在します。放射性同位体は寿命が短く、粒子結合型の⁸Li、⁹Li、¹¹Li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。
両方の天然同位体は、核子あたりの核結合エネルギーが異常に低い（ 6Liの場合5332.3312 ( 3) keV 、5 606 .4401(6) keV ( 7 Li) は、隣接するより軽い元素や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( ベリリウム-9の場合、6 462 .6693(85) keVであるため、それらの合成には非平衡条件が必要です。
7Liと6Liはどちらもビッグバンで生成され、7Liは推定で原始物質全体の5 × 10 −10個[ 4 ]と6 Li が約 10 −14個(検出不可能) 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) で生成されることも知られている。ベリリウム 7 は核燃焼の通常の生成物であるが、崩壊する前に表面に運ばれ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、ほとんどすべての6 Li は、多くの7 Liと同様に、宇宙起源であり、核破砕によって生成されると考えられている。[ 5 ]
リチウムの同位体は、鉱物形成（化学的沈殿およびイオン交換）を含むさまざまな地質学的プロセス中に多少分離します。たとえば、リチウムイオンは粘土中の特定の八面体位置でマグネシウムまたは鉄を置換し、6 Liが7 Liよりも優先される場合があり、その結果、粘土が濃縮されます。リチウムのすべての供給源について、リチウムサンプルの正確な相対原子質量を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、6Liは重要な同位体である。なぜなら、低速中性子に曝されると、ほぼ100%の収率でトリチウムが生成されるからである。一方、7Liは低速中性子とはほとんど反応しない。
6 Li と7 Li の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、核磁気共鳴を示します。6 Liはよりシャープな線を示しますが、存在量が少ないため、より高感度の NMR 分光計が必要です。7 Liはより豊富ですが、核スピンと四極子が大きいため、線幅が広くなります。化学シフトの範囲は両方の原子核で同じで、+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) の範囲内にあります。[ 7 ]
リチウム6はリチウム7よりも水銀に対する親和性が高い。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、リチウム6はアマルガム中に、リチウム7は水酸化リチウム溶液中にそれぞれより多く存在するようになる。
COLEX（カラム交換）分離法は、アマルガムと水酸化物を向流で一連の段を通して流すことでこの原理を利用しています。リチウム6の画分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が濃縮されたもの）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とともに再利用されます。上部では、水酸化リチウム溶液が電気分解され、リチウム7の画分が遊離されます。この方法で得られる濃縮度は、カラムの長さと流速によって異なります。
真空蒸留法では、リチウムは約 真空中で550 °C。リチウム原子は液体の表面から蒸発し、液体の表面から数センチメートル上に配置された低温の表面に収集されます。[ 11 ]リチウム 6 原子は同じ温度でより高い速度を持つため (質量が小さいため)、優先的に蒸発し、気体衝突が起こらなければ、同じ比率で収集されます (つまり、平均自由行程は距離に比べて大きくなければなりません)。この方法の理論的な分離効率は約 8.0 パーセントで、質量比の平方根です。より高い分離度を得るために、多段階プロセスを使用できます。
リチウムの同位体は、原理的には電気化学的方法や蒸留クロマトグラフィーによっても分離することができ、これらは現在研究中である。[ 12 ]
リチウム5は非常に寿命が短い（< 10 −21 秒）、陽子とヘリウム 4 に崩壊する。重水素とヘリウム 3の融合の中間体として生成される。
共鳴の存在により、反応は大幅に促進される。 基底状態0 MeVで自然スピン状態が-3/2であるリチウム5は、16.66 MeVで+3/2の励起スピン状態を持つ。この反応では、この状態に近いエネルギー準位を持つリチウム5原子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原子核 の対称共鳴により、重水素-三重水素融合反応は既知の反応の中で最も有利になる。[ 13 ]
リチウム6は、中性子吸収によるトリチウム（水素3）生成の原料として貴重な元素である。地球上のリチウムのうち、1.9%から7.8%がリチウム6であり、残りはリチウム7である。大量のリチウム6が分離され、熱核兵器に利用されている。
重水素-三重水素核融合反応は、現在、実現可能な実装に十分なエネルギー出力を持つ唯一の核融合反応であるため、可能なエネルギー源として研究されてきた。このシナリオでは、必要な量の三重水素を生成するために、リチウム6が濃縮されたリチウムが必要となる。鉱物および塩水リチウム資源は、このシナリオにおける潜在的な制限要因であるが、必要に応じて海水からリチウムを抽出することができる。[ 14 ] CANDUのような加圧重水炉は、中性子吸収により冷却材/減速材中に少量の三重水素を生成し、これは抽出される場合があり、少量の三重水素を得るためにリチウム6を使用する代替手段となる。
リチウム-6は、スピンが1の安定同位体3つのうちの1つであり、他の2つは重水素と窒素-14である。また、安定原子核の中で最小の非ゼロ核電気四重極モーメントを持つ。[ 15 ]
2025年、チューリッヒ工科大学とテキサスA&M大学の研究者らは、水銀を使用しないリチウム6分離法を発表し、水銀を使用するCOLEX法に代わる方法を提供した。この技術は、水浄化の研究中に偶然発見されたもので、ζ - V2O5を用いてリチウム6イオンを選択的に捕捉するものであり、核融合グレードのリチウム6の生産規模拡大における重要なステップとなり、核融合炉用のリチウムを分離するための、より費用対効果が高く安全な方法を切り開く可能性がある。[ 16 ]
リチウム7はリチウムの同位体の中で最も豊富に存在し、地球上の全リチウムの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個から構成されています。その核特性のため、リチウム7はヘリウム、炭素、窒素、酸素よりも宇宙における存在量が少なく、後者3種はいずれもリチウム7よりも原子核が重いにもかかわらず、その存在量は少ないのです。キャッスル・ブラボー核実験は、リチウム7の核特性に関する誤った仮定のために、予想をはるかに超える核爆発を引き起こしました。
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が枯渇した廃棄物が生じる。このリチウムは商業的に販売され、一部は環境中に放出されている。ペンシルベニア州のウェストバレークリークの下にある炭酸塩帯水層の地下水では、リチウム処理工場の下流に位置し、天然値よりも最大35%も高いリチウム7の相対存在量が測定されている。
リチウム7は、溶融塩炉（液体フッ化物原子炉）の溶融フッ化リチウムの一部として使用されます。リチウム6の大きな中性子吸収断面積（約940バーン[ 17 ]）は、リチウム7の非常に小さな中性子吸収断面積（約45ミリバーン）と比較して、天然リチウムからのリチウム7の高分離を、フッ化リチウム原子炉での使用を可能にするための強い要件としています。
加圧水型原子炉の冷却材のアルカリ化には、水酸化リチウム7が使用される。[ 18 ]
数ピコ秒間だけ生成されるリチウム7は、原子核にラムダ粒子を含んでいるが、原子核は一般的に中性子と陽子のみを含むと考えられている。[ 19 ] [ 20 ]
リチウム-8は、半減期828.9 msでベリリウム-8 （急速に2つのヘリウム-4原子核に崩壊する）にベータ崩壊する。これは、最大エネルギー13.0 MeV、平均エネルギー6.7 MeV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る。 [ 21 ] ISODAR粒子物理学コラボレーションは、この目的のためにリチウム-8を生成する計画を記述しており、主にリチウム-7への中性子捕獲によって、サイクロトロン粒子加速器を使用してベリリウムに高エネルギーを照射することによって必要な強力な中性子ビームを生成する。[ 22 ]
リチウム11（半減期8.75ms ）は、リチウム9の核が2つの緩く結合した中性子に囲まれたハロー核です。この系が結合するためには両方の中性子が存在する必要があり、そのため「ボロメオ核」と呼ばれています。[ 23 ] 11Liの陽子二乗平均半径は2.18 +0.16 −0.21 fmでは、中性子半径ははるかに大きい。3.34 +0.02 −0.08 fm ; 比較のために、 9 Liの対応する数値は次のとおりです。 陽子については2.076 ± 0.037 fm 、 中性子の場合、2.4 ± 0.03 fm 。 [ 24 ]通常、ベータ崩壊と中性子放出により10に崩壊する。は、崩壊後に他の粒子を放出したり、粒子を放出しないこともあります。測定された他の方法は全部で6つあり、上の表に示されています。
中性子数が魔法数であるリチウム11は、既知の5つの反転アイランドのうち最初のアイランドに位置しており、これが隣接する原子核と比較して半減期が長い理由である。[ 25 ]
リチウムの重い同位体では、ベリリウムの同位体へのβ−崩壊（しばしば単一または複数の中性子放出を伴う）が優勢であるが、10李と12Liは中性子放出により9に崩壊する李と11リチウムはそれぞれ中性子ドリップラインの外側に位置するため、崩壊します。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。リチウムは陽子放出によってのみヘリウムの同位体に崩壊する。これは、リチウムが陽子ドリップラインよりも外側にあるためである。
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