Значение Q (ядерная наука)

Количество энергии, поглощаемой/выделяемой в ядерной реакции

В ядерной физике и химии значение Q для ядерной реакции — это количество энергии, поглощаемой или выделяемой в ходе реакции. Значение относится к энтальпии химической реакции или энергии радиоактивных продуктов распада . Его можно определить по массам реагентов и продуктов. Значения Q влияют на скорость реакции . В общем случае, чем больше положительное значение Q для реакции, тем быстрее протекает реакция и тем больше вероятность, что реакция «благоприятствует» продуктам.

${\displaystyle Q=(\,m_{\text{r}}-m_{\text{p}}\,)\times {\text{0.9315 GeV }}}$

где массы указаны в атомных единицах массы . Кроме того, и являются суммами масс реагента и продукта соответственно. ${\displaystyle \;m_{\text{r}}\;}$ ${\displaystyle \;m_{\text{p}}\;}$

Определение

Сохранение энергии между начальной и конечной энергией ядерного процесса позволяет дать общее определение Q на основе эквивалентности массы и энергии . Для любого распада радиоактивной частицы разность кинетической энергии будет определяться как: ${\displaystyle {\text{( }}E_{\text{i}}=E_{\text{f}}{\text{ ),}}}$

${\displaystyle Q=K_{\text{f}}-K_{\text{i}}=(\,m_{\text{i}}-m_{\text{f}}\,)\,c^{2}~}$

где K обозначает кинетическую энергию массы m  . Реакция с положительным значением Q является экзотермической , т.е. имеет чистое выделение энергии, поскольку кинетическая энергия конечного состояния больше кинетической энергии начального состояния. Реакция с отрицательным значением Q является эндотермической , т.е. требует чистого вложения энергии, поскольку кинетическая энергия конечного состояния меньше кинетической энергии начального состояния. ^[1] Заметьте, что химическая реакция является экзотермической, когда она имеет отрицательную энтальпию реакции, в отличие от положительного значения Q в ядерной реакции.

Значение Q также можно выразить через избыток массы ядерной частицы следующим образом: ${\displaystyle \Delta M}$

${\displaystyle Q=\Delta M_{\text{i}}-\Delta M_{\text{f}}~}$

Доказательство

Массу ядра можно записать как , где - массовое число (сумма числа протонов и нейтронов) и МэВ/c . Обратите внимание, что число нуклонов сохраняется в ядерной реакции. Следовательно, и . ${\displaystyle M=Au+\Delta M,~}$ ${\displaystyle A~}$ ${\displaystyle u=^{12}\!\!C/12=931.494}$ ${\displaystyle ^{2}~}$ ${\displaystyle A_{f}=A_{i}~}$ ${\displaystyle Q=\Delta M_{\text{i}}-\Delta M_{\text{f}}~}$

Приложения

Химические значения Q измеряются в калориметрии . Экзотермические химические реакции, как правило, более спонтанны и могут испускать свет или тепло, что приводит к неконтролируемой обратной связи (т. е. взрывам).

Значения Q также фигурируют в физике элементарных частиц . Например, правило Сарджента гласит, что скорости слабых реакций пропорциональны Q ⁵ . Значение Q — это кинетическая энергия, выделяемая при распаде в состоянии покоя. При распаде нейтрона некоторая масса исчезает, когда нейтроны превращаются в протон, электрон и антинейтрино: ^[2]

${\displaystyle Q=(m_{\text{n}}-m_{\text{p}}-m_{\mathrm {\overline {\nu }} }-m_{\text{e}})c^{2}=K_{\text{p}}+K_{\text{e}}+K_{\overline {\nu }}={\text{0.782 MeV ,}}}$

где m _n — масса нейтрона , m p _— масса протона , m ν _— масса электронного антинейтрино , а m _e — масса электрона ; и K — соответствующие кинетические энергии. У нейтрона нет начальной кинетической энергии, так как он находится в состоянии покоя. При бета-распаде типичное значение Q составляет около 1 МэВ.

Энергия распада делится между продуктами в непрерывном распределении для более чем двух продуктов. Измерение этого спектра позволяет найти массу продукта. Эксперименты изучают спектры испускания для поиска безнейтринного распада и массы нейтрино; это принцип текущего эксперимента KATRIN .

Смотрите также

• Энергия связи
• Калориметр (физика элементарных частиц)
• Энергия распада
• Коэффициент усиления энергии термоядерного синтеза
• Эффект Пандемониума

Примечания и ссылки

1. Крейн, К. С. (1988). Введение в ядерную физику . John Wiley & Sons . стр. 381. ISBN 978-0-471-80553-3.
2. Мартин, BR; Шоу, G. (2007). Физика элементарных частиц. John Wiley & Sons . стр. 34. ISBN 978-0-471-97285-3.

Внешние ссылки

• "Форма ввода запроса". Данные о структуре и распаде ядра. МАГАТЭ .– интерактивная форма запроса для Q -значения запрашиваемого распада.
• Шустер, Эухенио (осень 2020 г.). «Выделение ядерной энергии; реакции синтеза» (PDF) . Машиностроение 362 – Ядерный синтез и радиация. Бетлехем, Пенсильвания: Университет Лихай . ME 362 Лекция 1 . Получено 5 марта 2021 г. .– просто демонстрирует эквивалентность массы и энергии.