Значение Q (ядерная наука)

В ядерной физике и химии значение $Q$ — для ядерной реакции это количество энергии, поглощаемой или выделяемой во время реакции. Значение относится к энтальпии или химической реакции энергии продуктов радиоактивного распада . Его можно определить по массам реагирующих веществ и продуктов. $Q$ Значения влияют на скорость реакции . В общем, чем больше положительное $значение Q$ реакции, тем быстрее протекает реакция и тем больше вероятность того, что реакция будет «в пользу» продуктов.

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

где массы выражены в атомных единицах массы . Кроме того, оба $\;m_{\text{r}}\;$ и $\;m_{\text{p}}\;$ представляют собой суммы масс реагента и продукта соответственно.

Определение

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

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 исходного состояния.Реакция с отрицательным $значением Q$ является эндотермической , т. е. требует затрат чистой энергии, поскольку кинетическая энергия конечного состояния меньше кинетической энергии исходного состояния. ^[1] Обратите внимание, что химическая реакция является экзотермической, если она имеет отрицательную энтальпию реакции, в отличие от положительного $значения Q$ в ядерной реакции.

Значение $Q$ также можно выразить через избыток массы. $\Delta M$ ядерных видов как:

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

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

Приложения

Значения химической $добротности$ представляют собой измерения в калориметрии . Экзотермические химические реакции имеют тенденцию быть более спонтанными и могут выделять свет или тепло, что приводит к неконтролируемой обратной связи (т.е. взрывам).

$Значения Q$ также используются в физике элементарных частиц . Например, правило Сарджента гласит, что скорость слабой реакции пропорциональна $Q.$ ⁵. Значение $Q$ представляет собой кинетическую энергию, выделяющуюся при распаде в состоянии покоя. При распаде нейтрона некоторая масса исчезает, поскольку нейтроны превращаются в протон, электрон и антинейтрино: ^[2]

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 , $m$ _e — масса электрона ; и $K$ — соответствующие кинетические энергии. Нейтрон не имеет начальной кинетической энергии, так как находится в состоянии покоя. При бета-распаде типичная $добротность$ составляет около 1 МэВ.

Энергия распада делится между продуктами непрерывным распределением для более чем двух продуктов. Измерение этого спектра позволяет найти массу продукта. Эксперименты изучают спектры излучения для поиска безнейтринного распада и массы нейтрино; это принцип продолжающегося эксперимента KATRIN .

См. также

Примечания и ссылки

^ Крейн, Канзас (1988). Введение в ядерную физику . Джон Уайли и сыновья . п. 381. ИСБН 978-0-471-80553-3 .
^ Мартин, БР; Шоу, Г. (2007). Физика элементарных частиц . Джон Уайли и сыновья . п. 34 . ISBN 978-0-471-97285-3 .

Внешние ссылки

«Форма ввода запроса» . Данные о ядерной структуре и распаде. МАГАТЭ . – интерактивная форма запроса $значения Q$ запрошенного затухания.
Шустер, Эухенио (осень 2020 г.). «Выделение ядерной энергии; реакции термоядерного синтеза» (PDF) . Машиностроение 362 – Ядерный синтез и радиация. Вифлеем, Пенсильвания: Университет Лихай . МЕ 362 Лекция 1 . Проверено 5 марта 2021 г. – просто демонстрирует эквивалентность массы и энергии.

[Krane-1] Крейн, Канзас (1988). Введение в ядерную физику . Джон Уайли и сыновья . п. 381. ИСБН 978-0-471-80553-3 .

[Martin-2] Мартин, БР; Шоу, Г. (2007). Физика элементарных частиц . Джон Уайли и сыновья . п. 34 . ISBN 978-0-471-97285-3 .

[1]

[2]