Q (nauki nuklearne)

W fizyce jądrowej i chemii wartość $Q$ reakcji to ilość energii pochłoniętej lub uwolnionej podczas reakcji jądrowej. Wartość odnosi się do entalpii reakcji chemicznej lub energii produktów rozpadu promieniotwórczego. Można go wyznaczyć na podstawie mas reagentów i produktów. $Q$ wpływają na szybkość reakcji. Ogólnie rzecz biorąc, im większa dodatnia $Q$ reakcji, tym szybciej przebiega reakcja i tym większe jest prawdopodobieństwo, że reakcja „sprzyja” produktom.

{\ Displaystyle Q = (\, m _ {\ tekst {r}} -m _ {\ tekst {p}} \,) \ razy {\ tekst {0,9315 GeV}} }

gdzie masy są wyrażone w atomowych jednostkach masy . $,$ zarówno jak i $.$ odpowiednio mas reagentów i

Definicja

Zasada zachowania energii pomiędzy energią początkową i końcową procesu jądrowego ${\ displaystyle {\ tekst {(}} E _ {\ tekst {i}} = E _ {\ tekst {f}} {\text{ ),}}}$ umożliwia ogólną definicję $Q$ w oparciu o równoważność masy i energii . Dla dowolnego rozpadu cząstek promieniotwórczych różnica energii kinetycznej będzie określona wzorem:

{\ Displaystyle Q = K _ {\ tekst {f}} -K _ {\ tekst {i}} = (\, m _ {\ tekst {i} }-m_{\text{f}}\,)\,c^{2}~}

gdzie $K$ oznacza energię kinetyczną masy $m$ . Reakcja z dodatnią $Q$ jest egzotermiczna , tj. powoduje całkowite uwolnienie energii, ponieważ energia kinetyczna stanu końcowego jest większa niż energia kinetyczna stanu początkowego. Reakcja z ujemną $Q$ jest endotermiczna , tj. wymaga włożenia energii netto, ponieważ energia kinetyczna stanu końcowego jest mniejsza niż energia kinetyczna stanu początkowego. Należy zauważyć, że reakcja chemiczna jest egzotermiczna, gdy ma wartość ujemną entalpia reakcji, w przeciwieństwie do dodatniej wartości $Q$ w reakcji jądrowej.

Wartość $Q$ można również wyrazić w kategoriach nadmiaru masy gatunków jądrowych jako: ${\ displaystyle \ Delta M}$

{\ Displaystyle Q = \ Delta M _ {\ tekst {i}} - \ Delta M _ {\ tekst {f}} ~} Dowód

Masę: jądra można zapisać jako ${\ Displaystyle M = Au + \ Delta M, ~},$ $gdzie$ jest masową (suma liczby protonów i neutronów) i ${\ Displaystyle u = ^ {12} \! \! C/12 = 931,494}$ MeV/c ${\ displaystyle ^ {2} ~}$ . Należy pamiętać, że liczba nukleonów jest zachowana w reakcji jądrowej. Stąd ${\ Displaystyle A_ {f} = A_ {i} ~} i$ Q $\ Displaystyle Q = \ Delta M _ {\ tekst {i}} - \ Delta M_ {\text{f}}~}$ .

Aplikacje

Chemiczne wartości $Q$ są mierzone w kalorymetrii . Egzotermiczne reakcje chemiczne są zwykle bardziej spontaniczne i mogą emitować światło lub ciepło, powodując niekontrolowane sprzężenie zwrotne (tj. eksplozje).

$Q$ są również obecne w fizyce cząstek elementarnych . Na przykład reguła Sargenta stwierdza, że szybkość słabych reakcji jest proporcjonalna do $Q$ ⁵ . Wartość $Q$ to energia kinetyczna uwolniona podczas rozpadu w stanie spoczynku. W przypadku rozpadu neutronów część masy znika, gdy neutrony przekształcają się w proton, elektron i antyneutrino:

{\ Displaystyle Q = (m _ {\ tekst {n}} -m _ {\ tekst{p}}-m_{\mathrm {\overline {\nu }} }-m_{\text{e}})c^{2}=K_{\text{p}}+K_{\text{e }}+K_{\overline {\nu }}={\text{0,782 MeV,}}}

gdzie m _n jest masą neutronu , m $p$ _jest masą protonu , m $ν$ _$jest$ masą antyneutrina elektronowego , a $m$ _e jest masą elektronu ; i $K$ są odpowiednimi energiami kinetycznymi. Neutron nie ma początkowej energii kinetycznej, ponieważ znajduje się w spoczynku. W rozpadzie beta typowy $Q$ wynosi około 1 MeV.

Energia rozpadu jest rozdzielana pomiędzy produkty w rozkładzie ciągłym dla więcej niż dwóch produktów. Pomiar tego widma pozwala wyznaczyć masę produktu. Eksperymenty badają widma emisyjne w celu poszukiwania rozpadu bezneutrinowego i masy neutrin; taka jest zasada trwającego KATRIN .

Zobacz też

Uwagi i odniesienia

Linki zewnętrzne

„Formularz wprowadzania zapytania” . Dane dotyczące struktury i rozpadu jądra jądrowego. MAEA . – interaktywny formularz zapytania o wartość $Q$ żądanego rozpadu.
Schuster, Eugenio (jesień 2020). „Uwalnianie energii jądrowej; reakcje termojądrowe” (PDF) . Inżynieria mechaniczna 362 – Fuzja jądrowa i promieniowanie. Betlejem, Pensylwania: Uniwersytet Lehigh . ME 362 Wykład 1 . Źródło 5 marca 2021 r . – pokazuje po prostu równoważność masy i energii.