Valor Q (ciencia 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 . Se puede determinar a partir de las masas de los reactivos y productos. Los valores Q afectan las velocidades de reacción . En general, cuanto mayor sea el valor Q positivo de la reacción, más rápido se desarrollará la reacción y más probable será que la reacción "favorezca" a 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, tanto y son las sumas de las masas del reactivo y del producto respectivamente. ${\displaystyle \;m_{\text{r}}\;}$${\displaystyle \;m_{\text{p}}\;}$

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 estará 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 una entrada neta de energía, ya que la energía cinética del estado final es menor que la energía cinética del estado inicial. ^[1] Obsérvese 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 la especie nuclear 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 es el número másico (suma del número de protones y neutrones) y MeV/c . Nótese que el conteo de nucleones se conserva en una reacción nuclear. Por lo tanto, y .${\displaystyle M=Au+\Delta M,~}$${\estilo de visualización A~}$${\displaystyle u=^{12}\!\!C/12=931.494}$${\estilo de visualización ^{2}~}$${\displaystyle A_{f}=A_{i}~}$${\displaystyle Q=\Delta M_{\text{i}}-\Delta M_{\text{f}}~}$

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

Los valores Q también se utilizan en la física de partículas . Por ejemplo, la regla de Sargent establece que las velocidades de reacción débil 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 a medida que los neutrones se convierten en un protón, un electrón y un antineutrino: ^[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 electrónico y m _e es la masa del electrón ; y K son las energías cinéticas correspondientes. El neutrón no tiene energía cinética inicial ya que está en reposo. En la desintegración beta, una Q típica es de alrededor de 1 MeV.

La energía de desintegración se reparte entre los productos en una distribución continua para más de dos productos. La medición de este espectro permite determinar la masa de un producto. Se están estudiando los espectros de emisión para buscar la desintegración sin neutrinos y la masa de los neutrinos; este es el principio del experimento KATRIN en curso.

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

• "Formulario de consulta". Datos sobre estructura y desintegración nuclear. OIEA .– formulario de consulta interactivo para el valor Q de la desintegración solicitada.
• Schuster, Eugenio (otoño de 2020). "Liberación de energía nuclear; reacciones de fusión" (PDF) . Ingeniería mecánica 362: Fusión nuclear y radiación. Bethlehem, PA: Lehigh University . ME 362 Clase 1. Consultado el 5 de marzo de 2021 .– demuestra simplemente la equivalencia masa-energía.