Isotopes du lithium

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 7,580 43 × 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.

Isotopes notables

Lithium naturel

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

Isotope	Abondance (pourcentage molaire)	Gamme de variations
⁶Li	7,59 (4) %	7,714 - 7,225
⁷Li	92,41(4) %	92,275 - 92,786

Lithium 4

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

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

Le lithium 6 (⁶Li) est stable et possède un noyau composé de trois protons et de trois neutrons^{[n 1]}. 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

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 sels fluorés fondus. 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

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

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

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 ainsi un volume de son noyau exceptionnellement grand, comparable à celui du ²⁰⁸Pb. Il se désintègre par désintégration β⁻ en béryllium 11 qui ensuite se désintègre également, principalement en béryllium 10 par émission de neutron.

Symbole de l'isotope	Z (p)	N (n)	masse isotopique (u)	Demi-vie	Mode(s) de désintégration^[1]	Isotope(s)-fils^{[n 2]}	Spin nucléaire
Symbole de l'isotope	Énergie d'excitation			Demi-vie	Mode(s) de désintégration^[1]	Isotope(s)-fils^{[n 2]}	Spin nucléaire
⁴Li	3	1	4,027 19 (23)	91(9) × 10⁻²⁴ s [6,03 MeV]	p	³He	2-
⁵Li	3	2	5,012 54 (5)	370(30) × 10⁻²⁴ s [~1,5 MeV]	p	⁴He	3/2-
⁶Li^{[n 1]}	3	3	6,015 122 795 (16)	Stable			1+
⁷Li^{[n 3]}	3	4	7,016 004 55 (8)	Stable			3/2-
⁸Li	3	5	8,022 487 36(10)	840,3(9) ms	β⁻, fission	2 ⁴He	2+
⁹Li	3	6	9,026 789 5(21)	178,3(4) ms	β⁻, n (50,8 %)	⁸Be^{[n 4]}	3/2-
⁹Li	3	6	9,026 789 5(21)	178,3(4) ms	β⁻ (49,2 %)	⁹Be	3/2-
¹⁰Li	3	7	10,035 481 (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 5]}	3	8	11,043 798(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 6]}
					β⁻, fission (1,0 %)	⁷He, ⁴He
					β⁻, fission (0,014 %)	⁸Li, ³H
					β⁻, fission (0,013 %)	⁹Li, ²H
¹²Li	3	9	12,053 78(107)	<10 ns	n	¹¹Li
¹³Li	3	10	13,061170(80)	3,3 ± 1,2 zs	2n	¹¹Li	3/2-