Valor Q (ciencia nuclear)

Cantidad de energía absorbida/liberada en una reacción nuclear

En física y química nuclear , el valor Q de una reacción nuclear es la cantidad de energía absorbida o liberada durante la reacción. El valor se relaciona con la entalpía de una reacción química o la energía de los productos de desintegración radiactiva . Puede determinarse a partir de las masas de reactivos y productos. Los valores de Q afectan las velocidades de reacción . En general, cuanto mayor sea el valor Q positivo de la reacción, más rápido avanza la reacción y es más probable que "favorezca" los productos.

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

donde las masas están en unidades de masa atómica . Además, ambos y son las sumas de las masas del reactivo y del producto respectivamente. ${\displaystyle \;m_{\text{r}}\;}$ ${\displaystyle \;m_{\text{p}}\;}$

Definición

La conservación de la energía, entre la energía inicial y final de un proceso nuclear, permite la definición general de Q basada en la equivalencia masa-energía . Para cualquier desintegración de partículas radiactivas, la diferencia de energía cinética vendrá dada por: ${\displaystyle {\text{( }}E_{\text{i}}=E_{\text{f}}{\text{ ),}}}$

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

donde K denota la energía cinética de la masa m  . Una reacción con un valor Q positivo es exotérmica , es decir, tiene una liberación neta de energía, ya que la energía cinética del estado final es mayor que la energía cinética del estado inicial. Una reacción con un valor Q negativo es endotérmica , es decir, requiere un aporte neto de energía, ya que la energía cinética del estado final es menor que la energía cinética del estado inicial. ^[1] Observe que una reacción química es exotérmica cuando tiene una entalpía de reacción negativa , en contraste con un valor Q positivo en una reacción nuclear.

El valor Q también se puede expresar en términos del exceso de masa de las especies nucleares como: ${\displaystyle \Delta M}$

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

Prueba

La masa de un núcleo se puede escribir como donde está el número de masa (suma del número de protones y neutrones) y MeV/c . Tenga en cuenta que el recuento de nucleones se conserva en una reacción nuclear. Por tanto, y . ${\displaystyle M=Au+\Delta M,~}$ ${\displaystyle A~}$ ${\displaystyle u=^{12}\!\!C/12=931.494}$ ${\displaystyle ^{2}~}$ ${\displaystyle A_{f}=A_{i}~}$ ${\displaystyle Q=\Delta M_{\text{i}}-\Delta M_{\text{f}}~}$

Aplicaciones

Los valores químicos de Q se miden en calorimetría . Las reacciones químicas exotérmicas tienden a ser más espontáneas y pueden emitir luz o calor, lo que produce una retroalimentación descontrolada (es decir, explosiones).

Los valores Q también aparecen en la física de partículas . Por ejemplo, la regla de Sargent establece que las velocidades de reacción débiles son proporcionales a Q ⁵ . El valor Q es la energía cinética liberada en la desintegración en reposo. En la desintegración de neutrones, parte de la masa desaparece cuando los neutrones se convierten en protones, electrones y antineutrinos: ^[2]

${\displaystyle Q=(m_{\text{n}}-m_{\text{p}}-m_{\mathrm {\overline {\nu }} }-m_{\text{e}})c^{2}=K_{\text{p}}+K_{\text{e}}+K_{\overline {\nu }}={\text{0.782 MeV ,}}}$

donde m _n es la masa del neutrón , m _p es la masa del protón , m _ν es la masa del antineutrino del electrón y m _e es la masa del electrón ; y las K son las energías cinéticas correspondientes. El neutrón no tiene energía cinética inicial ya que está en reposo. En la desintegración beta, un Q típico es de alrededor de 1 MeV.

La energía de descomposición se divide entre los productos en una distribución continua para más de dos productos. Medir este espectro permite encontrar la masa de un producto. Los experimentos están estudiando los espectros de emisión para buscar desintegración sin neutrinos y masa de neutrinos; Este es el principio del experimento KATRIN en curso .

Ver también

• Energía de unión
• Calorímetro (física de partículas)
• energía de descomposición
• Factor de ganancia de energía de fusión
• Efecto pandemonio

notas y referencias

1. Krane, KS (1988). Introducción a la Física Nuclear . John Wiley e hijos . pag. 381.ISBN​ 978-0-471-80553-3.
2. Martín, BR; Shaw, G. (2007). Partículas fisicas. John Wiley e hijos . pag. 34.ISBN​ 978-0-471-97285-3.

enlaces externos

• "Formulario de entrada de consultas". Datos de estructura y desintegración nuclear. OIEA .– formulario de consulta interactivo para el valor Q de decaimiento solicitado.
• Schuster, Eugenio (otoño de 2020). "Liberación de energía nuclear; reacciones de fusión" (PDF) . Ingeniería Mecánica 362 – Fusión Nuclear y Radiación. Belén, PA: Universidad de Lehigh . ME 362 Conferencia 1 . Consultado el 5 de marzo de 2021 .– demuestra simplemente la equivalencia masa-energía.