Isotopes of lithium

Naturally occurring lithium (₃Li) is composed of two stable isotopes, lithium-6 (⁶Li) and lithium-7 (⁷Li), with the latter being far more abundant on Earth. Radioisotopes are short-lived: the particle-bound ones, ⁸Li, ⁹Li, and ¹¹Li, have half-lives of 838.7, 178.2, and 8.75 milliseconds respectively.

Both of the natural isotopes have anomalously low nuclear binding energy per nucleon (5332.3312(3) keV for ⁶Li and 5606.4401(6) keV for ⁷Li) when compared with the adjacent lighter and heavier elements, helium (7073.9156(4) keV for helium-4) and beryllium (6462.6693(85) keV for beryllium-9), and so their synthesis requires non-equilibrium conditions.

Both ⁷Li and ⁶Li were produced in the Big Bang, with ⁷Li estimated to be 5×10⁻¹⁰ of all primordial matter,^[4] and ⁶Li around 10⁻¹⁴ (undetectable). This difference is significant because both isotopes of lithium are efficiently destroyed by protons, while beryllium-7 is not and subsequently decays to lithium. A portion of ⁷Li is also known to be formed in certain stars (red giants), called the Cameron–Fowler mechanism; while beryllium-7 is a normal product of nuclear burning, it can only contribute to lithium production if it is convected to the surface before it decays. Thus, it is considered that almost all ⁶Li, like much ⁷Li, is cosmogenic and produced by spallation.^[5]

The isotopes of lithium separate somewhat during a variety of geological processes, including mineral formation (chemical precipitation and ion exchange) – for example, lithium ions replace magnesium or iron in certain octahedral locations in clays, and ⁶Li is sometimes preferred over ⁷Li, resulting in enrichment of the clays. It is considered that an accurate relative atomic mass for samples of lithium cannot be measured for all sources of lithium.^[6]

In nuclear physics, ⁶Li is an important isotope, because when it is exposed to slow neutrons, tritium is produced with nearly 100% yield; contrarily, ⁷Li is almost unreactive with slow neutrons.

Both ⁶Li and ⁷Li isotopes show nuclear magnetic resonance, despite being quadrupolar (with nuclear spins of 1+ and 3/2−). ⁶Li has sharper lines, but due to its lower abundance requires a more sensitive NMR-spectrometer. ⁷Li is more abundant, but has broader lines because of its larger nuclear spin and quadrupole. The range of chemical shifts is the same of both nuclei and lies within +10 (for LiNH₂ in liquid NH₃) and −12 (for Li+ in fulleride).^[7]

الليثيوم-5 قصير العمر جداً (< 10 ⁻²¹  ثانية )، يتحلل إلى بروتون وهيليوم-4. ويتشكل كوسيط في اندماج الديوتيريوم والهيليوم -3 :

${\displaystyle {}^{2}\mathrm {D} +{}^{3}\mathrm {He} \longrightarrow {}^{5}\mathrm {Li} ^{*}\longrightarrow {}^{4}\mathrm {He} +\mathrm {p} +18.4\ \mathrm {MeV} }$

يتعزز التفاعل بشكل كبير بوجود الرنين.  يمتلك الليثيوم-5، الذي له حالة دوران طبيعية −3/2 عند الحالة الأرضية 0 ميغا إلكترون فولت، حالة دوران مثارة +3/2 عند 16.66 ميغا إلكترون فولت. ولأن التفاعل يُنتج نوى ليثيوم-5 بمستوى طاقة قريب من هذه الحالة، فإنه يحدث بوتيرة أعلى. ويجعل  الرنين المتناظر في نواة الهيليوم-5 تفاعل اندماج الديوتيريوم-التريتيوم التفاعل الأكثر تفضيلاً المعروف. ^{[ 13 ]}

يُعدّ الليثيوم-6 مادةً قيّمةً لإنتاج التريتيوم (الهيدروجين-3) عبر امتصاص النيوترونات. تتراوح نسبة الليثيوم-6 في الليثيوم الأرضي بين 1.9% و7.8%، بينما يشكّل الليثيوم-7 النسبة المتبقية. وقد تمّ فصل كميات كبيرة من الليثيوم-6 لاستخدامها في الأسلحة النووية الحرارية .

تمت دراسة تفاعل اندماج الديوتيريوم -التريتيوم كمصدر محتمل للطاقة، كونه حاليًا التفاعل الاندماجي الوحيد الذي ينتج طاقة كافية لتطبيقه عمليًا. في هذا السيناريو، سيتطلب الأمر استخدام الليثيوم المخصب بالليثيوم-6 لتوليد الكميات اللازمة من التريتيوم. تُعد موارد الليثيوم المعدنية والمحاليل الملحية عاملًا مُحددًا محتملًا في هذا السيناريو، ولكن يمكن استخلاص الليثيوم من مياه البحر عند الضرورة. ^{[ 14 ]} تُنتج مفاعلات الماء الثقيل المضغوطة، مثل مفاعل كاندو، كميات صغيرة من التريتيوم في سائل التبريد/المُهدئ من امتصاص النيوترونات، ويتم استخلاص هذا التريتيوم أحيانًا، مما يُمثل بديلًا لاستخدام الليثيوم-6 لإنتاج كميات صغيرة من التريتيوم.

الليثيوم-6 هو واحد من ثلاثة نظائر مستقرة فقط ذات دوران مغزلي يساوي 1، والآخران هما الديوتيريوم والنيتروجين -14 ، وله أصغر عزم كهربائي رباعي الأقطاب نووي غير صفري من بين جميع النوى المستقرة. ^{[ 15 ]}

في عام 2025، قدّم باحثون من المعهد الفدرالي السويسري للتكنولوجيا في زيورخ وجامعة تكساس إيه آند إم طريقةً خاليةً من الزئبق لعزل الليثيوم-6، مما وفّر بديلاً لعملية كولكس التي تستخدم الزئبق. اكتُشفت هذه التقنية صدفةً أثناء أبحاث تنقية المياه ، وتعتمد على أكسيد الفاناديوم (ζ _- V₂O₅ ₎ لاحتجاز أيونات الليثيوم-6 بشكل انتقائي، وهو ما قد يُمثّل خطوةً حاسمةً في زيادة إنتاج الليثيوم-6 المستخدم في الاندماج النووي، مما قد يفتح آفاقاً لطرق أكثر فعاليةً من حيث التكلفة وأكثر أماناً لعزل الليثيوم لمفاعلات الاندماج النووي . ^{[ 16 ]}

الليثيوم-7 هو النظير الأكثر وفرة لليثيوم، إذ يشكل ما بين 92.2% و98.1% من إجمالي الليثيوم الموجود على سطح الأرض. تحتوي ذرة الليثيوم-7 على ثلاثة بروتونات، وأربعة نيوترونات، وثلاثة إلكترونات. وبسبب خصائصه النووية، يُعد الليثيوم-7 أقل شيوعًا من الهيليوم والكربون والنيتروجين والأكسجين في الكون ، على الرغم من أن العناصر الثلاثة الأخيرة تمتلك أنوية أثقل . وقد تجاوزت تجربة كاسل برافو النووية الحرارية إنتاجها المتوقع بكثير نتيجةً لافتراضات خاطئة حول الخصائص النووية لليثيوم-7 .

ينتج عن الإنتاج الصناعي لليثيوم-6 نفايات غنية بالليثيوم-7 وفقيرة بالليثيوم-6. وقد تم بيع هذا الليثيوم تجاريًا، وتسرب جزء منه إلى البيئة. وقد تم قياس وفرة نسبية لليثيوم-7 تصل إلى 35% أعلى من نسبته الطبيعية في المياه الجوفية في طبقة مياه جوفية كربونية أسفل وادي ويست فالي كريك في ولاية بنسلفانيا ، والذي يقع أسفل مصنع لمعالجة الليثيوم.

يُستخدم الليثيوم-7 كجزء من فلوريد الليثيوم المنصهر في مفاعلات الملح المنصهر : مفاعلات الفلوريد السائل النووية . ونظرًا لكبر مقطع امتصاص النيوترونات لليثيوم-6 (حوالي 940 بارن ^{[ 17 ]} ) مقارنةً بصغر مقطع امتصاص النيوترونات لليثيوم-7 (حوالي 45 ملي بارن )، فإن فصل الليثيوم-7 عن الليثيوم الطبيعي بكفاءة عالية يُعد شرطًا أساسيًا لاستخدامه المحتمل في مفاعلات فلوريد الليثيوم.

يُستخدم هيدروكسيد الليثيوم-7 في قلوية سائل التبريد في مفاعلات الماء المضغوط . ^{[ 18 ]}

تم إنتاج كمية من الليثيوم-7، لبضع بيكو ثانية، والذي يحتوي على جسيم لامدا في نواته، في حين يُعتقد عمومًا أن نواة الذرة تحتوي فقط على النيوترونات والبروتونات. ^{[ 19 ] [ 20 ]}

يخضع الليثيوم-8 لتحلل بيتا إلى بريليوم-8 (الذي يتحلل بدوره بسرعة إلى نواتين من الهيليوم-4 ) بنصف عمر يبلغ 828.9  مللي ثانية. وقد اقتُرح هذا كمصدر لمضادات نيوترينو إلكترونية ذات طاقة عالية بشكل غير عادي ، بطاقة قصوى تبلغ 13.0  ميغا إلكترون فولت ومتوسط ​​طاقة يبلغ 6.7  ميغا إلكترون فولت. ^{[ 21 ]} يصف فريق ISODAR لفيزياء الجسيمات مخططًا لتوليد الليثيوم-8 لهذا الغرض، وذلك بشكل أساسي عن طريق التقاط النيوترونات بواسطة الليثيوم-7، وهو حزمة نيوترونية مكثفة مطلوبة لإنتاجها عن طريق قصف البريليوم بطاقة عالية باستخدام مسرع جسيمات سيكلوتروني . ^{[ 22 ]}

الليثيوم-11 (نصف عمره 8.75  مللي ثانية) هو نواة هالة تتكون من لب من الليثيوم-9 محاط بنيوترونين مرتبطين بشكل ضعيف؛ يجب أن يكون كلا النيوترونين موجودين حتى يكون هذا النظام مرتبطًا، مما أدى إلى وصفه بأنه " نواة بورومية ". ^{[ 23 ]} بينما يبلغ متوسط ​​الجذر التربيعي لنصف قطر بروتون الليثيوم ^-112.18 +0.16 −0.21  fm ، نصف قطر النيوترون الخاص به أكبر بكثير عند3.34 +0.02 −0.08  fm ؛ وللمقارنة، فإن الأرقام المقابلة لـ ⁹ Li هي2.076 ± 0.037  fm للبروتونات و2.4 ± 0.03  fm للنيوترونات. ^{[ 24 ]} وعادةً ما يتحلل عن طريق انبعاث جسيمات بيتا والنيوترونات إلى ¹⁰Be ، ولكن يمكن أيضًا أن ينبعث منه جسيمات أخرى، أو لا ينبعث منه أي جسيم، بعد تحلله؛ هناك ما مجموعه ست طرق أخرى تم قياسها، موضحة في الجدول أعلاه.

بفضل احتوائه على عدد سحري من النيوترونات يبلغ 8، يقع الليثيوم-11 على أول جزيرة من الجزر الخمس المعروفة للانعكاس ، مما يفسر عمر النصف الأطول له مقارنة بالنوى المجاورة. ^{[ 25 ]}

بينما يُعدّ تحلل بيتا ^السالب إلى نظائر البريليوم (والذي غالبًا ما يقترن بانبعاث نيوترون واحد أو عدة نيوترونات) هو السائد في النظائر الأثقل من الليثيوم، ¹⁰لي و ¹²يتحلل الليثيوم عن طريق انبعاث النيوترونات إلى ⁹لي و ¹¹الليثيوم -11، على التوالي، بسبب مواقعها خارج خط تنقيط النيوترونات . وقد لوحظ أيضًا أن الليثيوم-11 يتحلل من خلال سبعة تفاعلات تحلل بيتا مختلفة. النظائر الأخف من ⁶يتحلل الليثيوم حصريًا عن طريق انبعاث البروتون إلى نظائر الهيليوم ، لأنها تقع خارج خط تقطير البروتون .

${\displaystyle {\begin{array}{l}{}\\{\ce {^{4}_{3}Li->[91~{\ce {ys}}]{^{3}_{2}He}+{^{1}_{1}H}}}\\{\ce {^{5}_{3}Li->[370~{\ce {ys}}]{^{4}_{2}He}+{^{1}_{1}H}}}\\{\ce {^{8}_{3}Li->[838.7~{\ce {ms}}]{^{8}_{4}Be}+e^{-}}}\\{\ce {^{9}_{3}Li->[178.2~{\ce {ms}}]{^{8}_{4}Be}+{^{1}_{0}n}+e^{-}}}\\{\ce {^ {9} _ {3} Li->[178.2 ~ {\ ce {ms}}] {^ {9} _ {4} Be} + e ^ {-}}} \\ {\ ce {^ {10} _ {3} Li-> [2 ~ {\ ce {zs}}] {^ {9} _ {3} Li} + {^ {1} _ {0} n}}} \\ {\ ce {^ {11} _ {3} Li->[8.75~{\ce {ms}}]{^{10}_{4}Be}+{^{1}_{0}n}+e^{-}}}\\{\ce {^{11}_{3}Li->[8.75~{\ce {ms}}]{^{11}_{4}Be}+e^{-}}}\\{\ce {^{11}_{3}لي->[8.75~{\ce {ms}}] {^ {9} _ {4} Be} +2 {^ {1} _ {0} n} + e ^ {-}}} \\ {\ ce {^ {11} _ {3} Li-> [8.75 ~ {\ ce {ms}}] {^ {8} _ {4} Be} +3 {^ {1} _ {0} n} + e ^ {-}}} \\ {\ ce {^ {11} _ {3} Li->[8.75~{\ce {ms}}]{^{7}_{2}هو}+{^{4}_{2}هو}+e^{-}}}\\{\ce {^{11}_{3}لي->[8.75~{\ce {ms}}] {^ {8} _ {3} لي} + {^ {3} _ {1} H} + e ^ {-}}} \\ {\ ce {^{11}_{3}Li->[8.75~{\ce {ms}}]{^{9}_{3}Li}+{^{2}_{1}H}+e^{-}}}\\{\ce {^{12}_{3}Li->{^{11}_{3}Li}+{^{1}_{0}n}}}\\{}\end{array}}}$

• مشكلة الليثيوم الكونية
• ثنائي الليثيوم – جزيء ثنائي الذرة 
• نواة الهالة
• احتراق الليثيوم – العملية التي يتم من خلالها استهلاك الليثيوم في النجم 

• Lewis, G. N.; MacDonald, R. T. (1936). "The Separation of Lithium Isotopes". Journal of the American Chemical Society. 58 (12): 2519–2524. Bibcode:1936JAChS..58.2519L. doi:10.1021/ja01303a045.