Στην πυρηνική φυσική και τη χημεία, η τιμή Q για μια αντίδραση είναι η ποσότητα ενέργειας που απορροφάται ή απελευθερώνεται κατά τη διάρκεια της πυρηνικής αντίδρασης. Η τιμή σχετίζεται με την ενθαλπία μιας χημικής αντίδρασης ή την ενέργεια των ραδιενεργών προϊόντων αποσύνθεσης. Μπορεί να προσδιοριστεί από τις μάζες αντιδραστηρίων και προϊόντων. Οι τιμές Q επηρεάζουν τους ρυθμούς αντίδρασης. Γενικά, όσο μεγαλύτερη είναι η θετική τιμή Q για την αντίδραση, τόσο πιο γρήγορα προχωρά η αντίδραση και τόσο πιθανότερο είναι η αντίδραση να "ευνοεί" τα προϊόντα.
\( {\displaystyle Q=(m_{r}-m_{p})\cdot 931\;{\text{MeV}}} \)
όπου οι μάζες είναι σε μονάδες ατομικής μάζας. Επίσης, τόσο το \( m_{r} \) όσο και το \( m_{p} \) είναι τα αθροίσματα του αντιδρώντος και των προϊόντων μάζας αντίστοιχα.
Ορισμός
Η διατήρηση ενέργειας, μεταξύ της αρχικής και της τελικής ενέργειας μιας πυρηνικής διαδικασίας ( \( {\displaystyle E_{\text{i}}=E_{\text{f}}} \)), επιτρέπει τον γενικό ορισμό του Q με βάση την ισοδυναμία μάζας-ενέργειας. Για οποιαδήποτε διάσπαση ραδιενεργών σωματιδίων, η διαφορά κινητικής ενέργειας θα δοθεί από:
\( {\displaystyle Q=K_{\text{f}}-K_{\text{i}}=(m_{\text{i}}-m_{\text{f}})c^{2}} \)
όπου το Κ δηλώνει την κινητική ενέργεια της μάζας m. Μια αντίδραση με θετική τιμή Q είναι εξώθερμη, δηλαδή έχει καθαρή απελευθέρωση ενέργειας, καθώς η κινητική ενέργεια της τελικής κατάστασης είναι μεγαλύτερη από την κινητική ενέργεια της αρχικής κατάστασης. Μια αντίδραση με αρνητική τιμή Q είναι ενδοθερμική, δηλαδή απαιτεί καθαρή είσοδο ενέργειας, καθώς η κινητική ενέργεια της τελικής κατάστασης είναι μικρότερη από την κινητική ενέργεια της αρχικής κατάστασης. [1] Παρατηρήστε ότι μια χημική αντίδραση είναι εξώθερμη όταν έχει αρνητική ενθαλπία αντίδρασης, σε αντίθεση με μια θετική τιμή Q σε μια πυρηνική αντίδραση.
Η τιμή είναι ανεξάρτητηα απο το σύστημα συντεταγμένων αφού ορίζεται από διαφορές μαζών.
Η τιμή Q μπορεί επίσης να εκφραστεί με όρους ενεργειών δεσμού των πυρηνικών ειδών όπως:
\( {\displaystyle Q=B_{f}-B_{i}} \)
Απόδειξη: Σημειώστε ότι ο αριθμός των νουκλεονίων διατηρείται σε μια πυρηνική αντίδραση. Ως εκ τούτου, ολικά αντιδρώντα πρωτόνια = συνολικά πρωτόνια προϊόντος και συνολικά αντιδρώντα νετρόνια = ολικά νετρόνια προϊόντος. Ως εκ τούτου, το άθροισμα της ενέργειας πρόσδεσης και της ενέργειας μάζας ηρεμίας των πυρήνων τόσο του αντιδρώντος όσο και των προϊόντων είναι ίδιο. Με άλλα λόγια, \( {\displaystyle B_{i}+m_{i}c^{2}=B_{f}+m_{f}c^{2}}\). Χρήση της πρώτης σχέσης \( {\displaystyle Q=(m_{\text{i}}-m_{\text{f}})c^{2}}) \), συμπληρώνει την απόδειξη .
Εφαρμογές
Οι χημικές τιμές Q υπολογίζονται με τηνθερμιδομετρία. Οι εξωθερμικές χημικές αντιδράσεις τείνουν να είναι πιο αυθόρμητες και μπορούν να εκπέμπουν φως ή θερμότητα, με αποτέλεσμα την απότομες μεταβολές (δηλαδή εκρήξεις).
Οι τιμές Q εμφανίζονται επίσης στη φυσική των σωματιδίων. Για παράδειγμα, ο κανόνας του Sargent αναφέρει ότι οι χαμηλοί ρυθμοί αντίδρασης είναι ανάλογοι με Q5. Η τιμή Q είναι η κινητική ενέργεια που απελευθερώνεται στην διάσπαση σε ηρεμία. Για την διάσπαση νετρονίων, κάποια μάζα εξαφανίζεται καθώς τα νετρόνια μετατρέπονται σε πρωτόνιο, ηλεκτρόνιο και αντινετρίνο: [2]
\( {\displaystyle Q=(m_{\text{n}}-m_{\text{p}}-m_{\mathrm {\overline {\nu }} }-m_{\text{e}})c^{2}=K_{\text{p}}+K_{\text{e}}+K_{\overline {\nu }}=0.782~{\text{MeV}}~,} \)
όπου mn είναι η μάζα του νετρονίου, mp είναι η μάζα του πρωτονίου, mν είναι η μάζα του ηλεκτρονίου antineutrino, και mε είναι η μάζα του ηλεκτρονίου. και τα Κ είναι οι αντίστοιχες κινητικές ενέργειες. Το νετρόνιο δεν έχει αρχική κινητική ενέργεια αφού είναι σε ηρεμία. Στην διάσπαση βήτα, ένα τυπικό Q είναι περίπου 1 MeV.
Η ενέργεια διάσπασης κατανέμεται μεταξύ των προϊόντων σε συνεχή διανομή για περισσότερα από 2 προϊόντα. Η μέτρηση αυτού του φάσματος επιτρέπει σε κάποιον να βρει τη μάζα ενός προϊόντος. Τα πειράματα μελετούν φάσματα εκπομπών για να αναζητήσουν διάσπαση νετρίνων και μάζα νετρίνων. αυτή είναι η αρχή του τρέχοντος πειράματος KATRIN.
Δείτε επίσης
Δεσμευτική ενέργεια
Θερμιδόμετρο (φυσική σωματιδίων)
Ενέργεια αποσύνθεσης
Συντελεστής αύξησης ενέργειας σύντηξης
Επίδραση Παντεμονίου
Σημειώσεις και αναφορές
Κ.Σ. Krane (1988). Εισαγωγική Πυρηνική Φυσική. John Wiley & Sons. Π. 381. ISBN 978-0-471-80553-3.
Β.Ρ. Martin και G. Shaw (2007). Φυσική σωματιδίων. John Wiley & Sons. Π. 34. ISBN 978-0-471-97285-3.
Hellenica World - Scientific Library
Από τη ελληνική Βικιπαίδεια http://el.wikipedia.org . Όλα τα κείμενα είναι διαθέσιμα υπό την GNU Free Documentation License