Q値（原子核科学）

核物理学および核化学において、核反応の $Q$ 値は、反応中に吸収または放出されるエネルギーの量です。この値は、化学反応のエンタルピーまたは $放射性崩壊生成物のエネルギーに関連しています。反応物と生成物の質量から決定できます。Q 値は反応速度に影響します。一般に、反応の正の Q$ 値が大きいほど、 $反応$ はより速く進行し、反応が生成物を「優先」する可能性が高くなります。

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

ここで、質量は原子質量単位です。また、とは、それぞれ反応物と生成物の質量の合計です。 $\;m_{\text{r}}\;$ $\;m_{\text{p}}\;$

意味

核過程の初期エネルギーと最終エネルギーの間のエネルギー保存則により、質量エネルギー等価性に基づく $Q$ の一般的な定義が可能になります。放射性粒子の崩壊では、運動エネルギーの差は次のように表されます。 ${\text{( }}E_{\text{i}}=E_{\text{f}}{\text{ ),}}$

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

ここで、 $Kは$ 質量 $mの運動エネルギーを表す。正の$ $Q$ 値を持つ反応は発熱反応であり、最終状態の運動エネルギーが初期状態の運動エネルギーよりも大きいため、正味のエネルギー放出がある。負の $Q$ 値を持つ反応は吸熱反応であり、最終状態の運動エネルギーが初期状態の運動エネルギーよりも小さいため、正味のエネルギー入力を必要とする。^{[1]化学反応は、反応エンタルピーが}負の場合に発熱反応であり、対照的に核反応では正の $Q$ 値を持つことに注目してください。

Q値は $、$ 核種の質量過剰によって次のように表すこともできます。 $\デルタM$

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

証拠: 原子核の質量は、と表すことができます。ここでは質量数（陽子と中性子の数の合計）、MeV/cです。原子核反応では核子の数が保存されることに注意してください。したがって、およびです。 $M=Au+\Delta M,~$ $A~$ $u=^{12}\!\!C/12=931.494$ $^{2}~$ $A_{f}=A_{i}~$ $Q=\Delta M_{\text{i}}-\Delta M_{\text{f}}~$

アプリケーション

化学 $Q値は$ 熱量測定における測定値です。発熱化学反応はより自発的になる傾向があり、光や熱を放出して暴走フィードバック (つまり爆発) を引き起こす可能性があります。

$Q値は$ 素粒子物理学でも取り上げられています。例えば、サージェントの法則では、弱い反応速度は $Q$ ⁵に比例するとされています。Q 値は、静止状態での崩壊で放出される運動エネルギーです。中性子崩壊では、中性子が陽子、電子、反ニュートリノに変換さ $れる$ ときに質量の一部が消失します。^[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 ,}}

ここで、m _nは中性子の質量、 $m$ _{p は}陽子の質量、 $m$ _{$ν は$}電子反ニュートリノの質量、 $m$ _{e は}電子の質量です。K $は$ 対応する運動エネルギーです。中性子は静止しているため、初期運動エネルギーはありません。ベータ崩壊では、典型的な $Q は$ 約 1 MeV です。

崩壊エネルギーは、2 つ以上の生成物に対して連続的に分布して生成物間で分割されます。このスペクトルを測定すると、生成物の質量を見つけることができます。実験では、放出スペクトルを研究して、ニュートリノのない崩壊とニュートリノの質量を探します。これが、現在進行中のKATRIN実験の原理です。

参照

注釈と参考文献

^クレイン 、 KS (1988)。核物理学入門。ジョン・ワイリー・アンド・サンズ。p.381。ISBN 978-0-471-80553-3。
^ Martin, BR; Shaw, G. (2007). 素粒子物理学. John Wiley & Sons . p. 34. ISBN 978-0-471-97285-3。

外部リンク

「クエリ入力フォーム」。原子核構造と崩壊データ。IAEA。 $- 要求された崩壊のQ$ 値を求めるインタラクティブなクエリフォーム。
Schuster, Eugenio (2020年秋)。「核エネルギーの放出、核融合反応」(PDF)。機械工学362 – 核融合と放射線。ペンシルベニア州ベスレヘム：リーハイ大学。ME 362 講義 1。2021年3月5日閲覧。– 質量とエネルギーの等価性を単純に証明します。

[Krane-1] ^クレイン 、 KS (1988)。核物理学入門。ジョン・ワイリー・アンド・サンズ。p.381。ISBN 978-0-471-80553-3。

[Martin-2] Martin, BR; Shaw, G. (2007). 素粒子物理学. John Wiley & Sons . p. 34. ISBN 978-0-471-97285-3。