قيمة Q للتفاعل النووي

خطوات الاستخدام

الخطوة الأولى: أدخل الكتلة الإجمالية للمواد المتفاعلة (reactantMass) بوحدة الكتلة الذرية (u). يمكنك الحصول على هذه القيم من جداول الكتل الذرية أو من بيانات النظائر. مثلاً، في تفاعل اندماج الديوتيريوم مع التريتيوم، كتلة الديوتيريوم = 2.014102 u وكتلة التريتيوم = 3.016049 u، لذا أدخل 5.030151 u.

الخطوة الثانية: أدخل الكتلة الإجمالية للمواد الناتجة (productMass) بنفس الوحدة (u). في التفاعل السابق، الناتج هو الهيليوم-4 (4.002602 u) ونيوترون (1.008665 u)، لذا المجموع = 5.011267 u.

الخطوة الثالثة: انقر على زر الحساب. ستقوم الحاسبة بطرح كتلة النواتج من كتلة المتفاعلات: Δm = reactantMass - productMass. إذا كانت Δm موجبة، يعني ذلك نقصان في الكتلة (تحول إلى طاقة)، وإذا كانت سالبة فهي زيادة.

الأسئلة الشائعة

قيمة Q هي الطاقة المنطلقة أو الممتصة أثناء تفاعل نووي. يتم حسابها من فرق الكتلة بين المتفاعلات والنواتج باستخدام معادلة أينشتاين E=mc². إذا كانت Q موجبة، يكون التفاعل طارداً للطاقة (exothermic)، أي أن الطاقة تُحرر على شكل طاقة حركية للجسيمات أو أشعة غاما. أما إذا كانت Q سالبة، فالتفاعل ماص للطاقة (endothermic) ويتطلب طاقة خارجية لحدوثه. أهمية Q تظهر في عدة مجالات: في الفيزياء النووية، تحدد Q إمكانية حدوث التفاعل من حيث الطاقة؛ في الطاقة النووية، التفاعلات ذات Q العالية (مثل الاندماج) هي مصادر طاقة واعدة؛ في الطب، التفاعلات النووية تُستخدم في إنتاج النظائر المشعة للعلاج والتشخيص، وتحديد Q يساعد في تصميم المفاعلات والقنابل النووية. أيضاً، قيمة Q مرتبطة بثبات النواة: فالنوى ذات الكتلة الأقل تكون أكثر استقراراً، وفرق الكتلة يظهر كطاقة ربط نووية.

وحدة الكتلة الذرية (u) تساوي 1/12 من كتلة ذرة الكربون-12، وتعادل حوالي 1.660539 × 10⁻²⁷ كجم. من ناحية أخرى، MeV/c² هي وحدة كتلة في الفيزياء النووية تعادل الطاقة المقابلة لكتلة في السكون وفقاً لـ E=mc². عندما تكون الطاقة مقاسة بـ MeV والسرعة c تساوي 3×10⁸ م/ث، فإن 1 u = 931.494 MeV/c². هذا الرقم يأتي من التحويل: 1 u = 931.494 MeV/c² بالضبط، وهو ثابت فيزيائي مهم. لذلك، لتحويل فرق الكتلة من u إلى طاقة MeV، نضرب في 931.494. هذا يعطينا قيمة Q مباشرة. استخدام هذه الوحدة يسهل الحسابات لأنها تتجنب الأرقام الصغيرة جداً في الكتلة بالكيلوغرام.

قيمة Q لا تحدد وحدها إمكانية التفاعل، بل هناك عوامل أخرى مثل حاجز كولوم والطاقة الحركية للمتفاعلات. لكن بشكل أساسي، إذا كانت Q > 0 (طاردة للطاقة)، فإن التفاعل ممكن نظرياً من حيث الطاقة، لكنه قد يتطلب طاقة تنشيط للتغلب على التنافر الكهربائي بين النوى الموجبة. إذا كانت Q < 0 (ماصة للطاقة)، فإن التفاعل لا يمكن أن يحدث إلا إذا زودت المتفاعلات بطاقة حركية إضافية تعوض النقص. على سبيل المثال، اندماج الديوتيريوم والتريتيوم له Q موجبة لكنه يحتاج لدرجات حرارة عالية جداً (ملايين الدرجات) للتغلب على حاجز كولوم. في المقابل، تحلل ألفا له Q موجبة ويحدث تلقائياً لأن النواة الأب غير مستقرة. أما التفاعلات ذات Q السالبة، مثل تفاعل (p,n) في إنتاج النيوترونات، فتتطلب تسريع البروتونات إلى طاقات عالية.

نعم، قيمة Q هي أساس حساب الطاقة الناتجة عن كل تفاعل فردي. في المفاعلات النووية، يحدث انشطار اليورانيوم-235 عند امتصاص نيوترون، وينتج عن ذلك نواتج انشطارية ونيوترونات إضافية وطاقة. قيمة Q لتفاعل انشطار نموذجي مثل U-235 + n → Ba-141 + Kr-92 + 3n تبلغ حوالي 200 MeV. بضرب هذه القيمة في عدد الانشطارات في الثانية (معدل التفاعل) نحصل على القدرة الحرارية للمفاعل. في مفاعل بقدرة 1 GW تقريباً، يحدث حوالي 3×10¹⁹ انشطار في الثانية. كذلك بالنسبة للاندماج، قيمة Q العالية (17.6 MeV لـ D-T) تجعل الاندماج مصدر طاقة واعداً. لكن عملياً، الطاقة الإجمالية تشمل أيضاً الطاقة الصادرة عن النيوترونات والإشعاعات، وهناك كفاءة تحويل حراري تحدد الطاقة الكهربائية النهائية.

قيمة Q للتفاعل النووي

أدخل القيم

خطوات الاستخدام

أمثلة محلولة

أمثلة محسوبة

الأسئلة الشائعة

أدخل القيم

خطوات الاستخدام

1مثال 1: احسب قيمة Q لتفاعل اندماج الديوتيريوم (D) والتريتيوم (T) لتكوين الهيليوم-4 ونيوترون: D + T → He-4 + n. الكتل: D = 2.014102 u, T = 3.016049 u, He-4 = 4.002602 u, n = 1.008665 u.

2مثال 2: احسب قيمة Q لتحلل ألفا لليورانيوم-238 إلى ثوريوم-234 وجسيم ألفا: U-238 → Th-234 + α. الكتل: U-238 = 238.050788 u, Th-234 = 234.043601 u, α = 4.002603 u.

أمثلة محسوبة

الأسئلة الشائعة