Le lithium (Li, numéro atomique 3) d'origine naturelle (masse atomique : 6.941(2) u) est présent dans la nature sous la forme de deux isotopes stables, Li et Li, 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 Li avec une demi-vie de et Li avec une demi-vie de . Tous les autres radioisotopes ont une demi-vie inférieure à . Le radioisotope à la durée de vie la plus courte est Li qui se désintègre par émission de protons avec une demi-vie de .

Le Li est nucléide primordial, produit lors de la nucléosynthèse primordiale (une petite quantité de Li 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 Li est préféré au Li, ce qui cause une augmentation de la concentration de l'isotope plus léger lors des processus d'hyperfiltration et d'altération des roches.

Isotopes notables

Lithium naturel Le lithium naturel est constitué des deux isotopes stables 6Li et 7Li, ce dernier étant majoritaire.

IsotopeAbondance (pourcentage molaire)Gamme de variations6Li7,59 (4) %7,714 - 7,2257Li92,41(4) %92,275 - 92,786

Lithium 4 Le lithium 4 (Li) 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 ) et il se désintègre par émission de proton en He. Il peut être formé comme intermédiaire dans certaines réactions de fusion nucléaire.

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

Lithium 6 Le lithium 6 (Li) est stable et possède un noyau composé de trois protons et de trois neutronsEn plus du lithium 6, les quatre autres atomes stables ayant un nombre impair de protons et neutrons sont le deutérium, le bore 10, l'azote 14 et le tantale 180m.. 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 Li ont été fractionnées isotopiquement pour usage dans des armes nucléaires.

Lithium 7 Le lithium 7 (Li) 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 Li, appauvri en Li et donc enrichi en Li, est disponible dans le commerce, et une partie est aussi déversée dans la nature. Ainsi, il a été mesuré des taux en Li 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 Li, l'abondance de cet isotope peut être réduite jusqu'à 80 % de sa valeur normale, ce qui lui donne une masse atomique variant entre et . 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 Li est utilisé sous la forme de fluorure de lithium, un solvant utilisé dans les réacteurs nucléaires à sels fluorés fondus. De par la grande différence entre la section efficace pour l'absorption de neutrons du Li (941 barns, thermique), particulièrement élevée, et celle du Li (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 Le lithium 8 (Li) 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'He.

Lithium 9 Le lithium 9 (Li) 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 Le lithium 11 (Li) 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 ainsi un volume de son noyau exceptionnellement grand, comparable à celui du Pb. Il se désintègre par désintégration β en béryllium 11 qui ensuite se désintègre également, principalement en béryllium 10 par émission de neutron.

Table des isotopes Symbolede l'isotope Z (p) N (n) masse isotopique (u) Demi-vie Mode(s) dedésintégration Universal Nuclide Chart Isotope(s)-filsIsotopes stables en gras. Spin nucléaire Énergie d'excitation Li 3 1 [] p He 2- Li 3 2 [~] p He 3/2- Li 3 3 Stable 1+ LiProduit lors de la nucléosynthèse primordiale. 3 4 Stable 3/2- Li 3 5 β−, fission 2 He 2+Li 3 6 β−, n (50,8 %) BeSe désintègre immédiatement en deux atomes d'He par la réaction Li → 2He + n 3/2- β− (49,2 %) Be Li 3 7 [] n Li (1-,2-) 10m1Li 1+ 10m2Li 2+LiPossède un halo de 2 neutrons. 3 8 β−, n (84,9 %) Be3/2- β− (8,07 %) Be β−, 2n (4,1 %) Be β−, 3n (1,9 %) BeSe désintègre immédiatement en He par la réaction Li → 2He + 3n β−, fission (1,0 %) He, He β−, fission (0,014 %) Li, H β−, fission (0,013 %) Li, H Li 3 9 < n Li Li 3 10 (80) 2n Li 3/2-

Remarques La précision de l'abondance isotopique et de la masse atomique est limitée par des variations. Les échelles de variations données devraient être valables pour tout matériau 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 Li, l'abondance de cet isotope peut être réduite jusqu'à 80 % de sa valeur normale, ce qui lui donne une masse atomique variant entre et . 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. Li 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.

Voir également Procédé COLEX

Notes et références

Masse des isotopes depuis :

Compositions isotopiques et masses atomiques standards :

Demi-vie, spin et données sur les isomères sélectionnés depuis les sources suivantes :

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