Q値（原子核科学）

原子核物理学および化学において、原子核反応の $Q$ 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=(m_{\text{r}}-m_{\text{p}})\times \mathrm {0.9315~GeV/Da} ,

ここで、およびは、反応物と生成物の質量の合計です。 $m_{\text{r}}$ $m_{\text{p}}$

$Q$ 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、反応は速く進行し、反応が生成物に「有利」になる可能性が高くなります。

定義

原子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。任意の放射性粒子崩壊について、運動エネルギーの差は次のように与えられます $(E_{\text{i}}=E_{\text{f}}),$

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

ここで、 $Kは$ 質量 $mの運動エネルギーを表します。正の$ $Q$ 値を持つ反応は発熱反応です。つまり、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ります。負の $Q$ 値を持つ反応は吸熱反応です。つまり、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が必要です。^[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、核反応では正の $Q値を持つ場合とは対照的であることに注目してください。$

Q値は $、$ 核種の質量過剰で次のように表すこともできます。 $\Delta M$

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

証明: 原子核の質量はと表すことができます。ここ $M=Au+\Delta M$ では質量数（陽子と中性子の数の合計）であり、です。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、 $A$ $u=m({\ce {^12C}})/12=\mathrm {931.494~MeV} /c^{2}.$ $A_{\text{f}}=A_{\text{i}},$ $Q=\Delta M_{\text{i}}-\Delta M_{\text{f}}.$

応用

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、光または熱を放出し、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は、弱反応速度がQ 5 に比例することを述べています $。Q$ $値$ ^は、静止状態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際に質量の一部が消失します。 ^[2]

Q=(m_{\text{n}}-m_{\text{p}}-m_{\overline {\nu}}-m_{\text{e}})c^{2}=K_{\text{p}}+K_{\text{e}}+K_{\overline {\nu}}=0.782~{\text{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、 $K$ 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、初期の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1MeVです。

崩壊エネルギーは、2つ以上の生成物に対して連続分布で生成物に分割されます。このスペクトルを測定することで、生成物の質量を見つけることができます。実験では、ニュートリノなしの崩壊とニュートリノの質量を探すために放出スペクトルを研究しています。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

^ Krane, KS (1988).原子核物理学入門. John Wiley & Sons . 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 $Q$ 値のための対話型クエリフォーム
シュスター、エウジェニオ（2020年秋）。「核エネルギー放出；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。ME362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示しています。

[Krane-1] Krane, KS (1988).原子核物理学入門. John Wiley & Sons . 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.