Значение Q (ядерная наука) - Q value (nuclear science)

В ядерной физике и химии , то Q значение для реакции является количество энергии , поглощаемой или отпущена во время ядерной реакции. Значение относится к энтальпии химической реакции или энергии продуктов радиоактивного распада. Его можно определить по массам реагентов и продуктов. Значения Q влияют на скорость реакции. В общем, чем больше положительное значение Q для реакции, тем быстрее протекает реакция и тем более вероятно, что реакция будет «благоприятствовать» продуктам.

где массы выражены в атомных единицах массы . Также оба и представляют собой суммы масс реагента и продукта соответственно.

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 выражаться как:

где K обозначает кинетическую энергию массы m  . Реакция с положительным значением Q является экзотермической , т.е. имеет чистое высвобождение энергии, поскольку кинетическая энергия конечного состояния больше, чем кинетическая энергия начального состояния. Реакция с отрицательным значением Q является эндотермической , т.е. требует ввода чистой энергии, поскольку кинетическая энергия конечного состояния меньше кинетической энергии начального состояния. Обратите внимание, что химическая реакция экзотермична, когда она имеет отрицательную энтальпию реакции, в отличие от положительного значения Q в ядерной реакции.

Значение Q также можно выразить через энергии связи ядерных частиц как:

Доказательство
Обратите внимание, что количество нуклонов сохраняется в ядерной реакции. Следовательно, общее количество протонов реагента = общее количество протонов продукта и общее количество нейтронов реагента = общее количество нейтронов продукта. Следовательно, сумма энергии связи и энергии массы покоя ядер реагента и продуктов одинакова. Другими словами, с использованием первого соотношения это доказательство завершено.

Приложения

Химические значения Q измеряются калориметрически . Экзотермические химические реакции имеют тенденцию быть более спонтанными и могут излучать свет или тепло, что приводит к неуправляемой обратной связи (например, взрывам).

Значения Q также используются в физике элементарных частиц . Например, правило Сарджента гласит, что скорость слабой реакции пропорциональна Q 5 . Значение Q - это кинетическая энергия, выделяющаяся при распаде в состоянии покоя. При распаде нейтрона некоторая масса исчезает, когда нейтроны превращаются в протон, электрон и антинейтрино:

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. В бета-распаде типичное значение Q составляет около 1 МэВ.

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

Смотрите также

Примечания и ссылки

внешние ссылки