核反应能与Q方程
从守恒律推导Q方程,判吸放热本质,掌握阈能与反应阈
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核反应能与Q方程
从守恒律推导Q方程,判吸放热本质,掌握阈能与反应阈
什么是核反应
化学课里你写过 H₂+O₂→H₂O 这种式子——核物理里也有类似的'反应方程',只不过反应的不是分子,而是原子核本身。
都是「左反应物→右生成物」的写法,区别只在基本单元是分子还是原子核
核反应能的概念
上页讲到核反应是核子重新排列的过程。那反应前后体系的总质量并不严格相等——少掉的质量去了哪,不够的质量又从哪补?这就是核反应能(Q值)要回答的问题。
收>支是盈余对应Q>0放能;反之亏空对应Q<0吸能;差额本身即Q
质量亏损与能量等价
上一页我们说核反应会释放或吸收能量(Q值),但能量不可能凭空冒出来——它一定有来处。这个来处,就是质量本身。
燃烧也有极微小的质量亏损(约十亿分之一),所以才放热;核反应亏损比例大得多,能量也大几个量级
Q方程的定义
前页讲到质量亏损对应一份能量,这页把它写成一条能直接代入计算的公式——Q方程。
收入大于支出就净赚(Q>0),反过来就倒贴(Q<0)
Q方程的推导
从质量亏损到Q方程,五步严格推导。
Q方程的物理图景
左侧反应物进入反应瞬间,右侧产物飞出;两条支路分别展示Q>0释能与Q<0吸能的物理流向。
实验室坐标系(L系)
我们前面推导Q方程时,并没有指定站在哪个参考系上看。真实实验是在实验室里做的——靶核放在靶架上不动,束流粒子从加速器飞来打它。这个「实验室所在的参考系」就叫L系。
观察者站着不动=探测器静止;被瞄准的球不动=靶核静止;杆打出的球=束流粒子;碰后两球各自飞开=产物角分布
质心坐标系(C系)
L系里靶核不动,但系统质心却在动——所有物理量都要跟这个「漂移」较劲。换个视角:把原点钉在质心上,让整个系统的总动量归零,反应图像立刻对称起来。
把原点放在两船连线中点,两船等速反向驶来——这就是质心视角
L系与C系的关系
左栏L系、右栏C系,中间 v_CM 是变换桥梁;实线表示定义推导,虚线表示参数对应关系。
出射角的坐标系变换
上页我们看到L系、C系的速度通过伽利略变换相连。探测器实际记录的是L系角θ_L,理论却常用对称性更好的C系角θ_C——两者之间怎么换算?这正是这页要解决的。
车上人看球直上(θ_C=90°),地面人看到斜抛(θ_L≠90°),平动改变了观察方向
放能反应与吸能反应
前面用Q方程把反应前后动能的变化写成Q=T末-T初。Q的正负号不是数学约定,而是物理事实——它直接告诉你这笔能量账是盈余还是亏损。
下坡重力势能变动能自然释放;上山要耗电把人推上去,对应需从入射动能里扣
核反应阈能
上一节说吸能反应(Q<0)需要吸热。但仅给入射粒子 ≥|Q| 的动能够不够?不够——动量守恒要求产物带着质心一起跑,入射粒子必须比 |Q| 多付一截能量。这份「最低入场费」,就是阈能。
母球撞静止子球后两球一起前进;多出的能量用来维持系统的整体运动
阈能的计算推导
从Q方程出发,沿守恒律逐步推导阈能公式 T_th = -Q(1+m_a/m_A)。
阈能与Q值的关系
阈能公式 E_th = -Q(1+m_a/m_b) 只对 Q<0 有意义。Q 值的正负直接决定入射粒子是否需自带能量——本页为你拆解这一对应关系。
- Q<0:反应体系需要吸收能量
- 阈能 E_th > 0,存在明确阈值
- E_th = -Q·(1 + m_a/m_b)
- 入射粒子必须自带足够动能
- Q≥0:反应体系自身释放能量
- 阈能 E_th ≤ 0,即无阈值
- E_th 公式不再适用,无物理意义
- 入射粒子无需额外动能
核反应能知识网络
全图一张思维导图,从核反应能出发分出Q方程、坐标系、阈能三条主线,再看它们如何交汇。
核心概念自测
对于Q = -15 MeV的吸能核反应(靶核静止),阈能E_th与|Q|的正确关系是:
本章要点回顾
- ✓Q值是核反应释放或吸收的净能,由质量亏损唯一确定
- ✓阈能总大于|Q|,差额源于入射粒子部分动能随质心浪费
- ✓Q与可行性等价:Q≥0自发发生,Q<0需阈能开门
- ✓Q在所有惯性系下守恒,角度与能量按变换重分配
深入思考
先合上书想三分钟,再点开参考答案对照。
参考答案阈能公式 E_th = -Q·(1+m₁/M)。多出的质量比因子 (m₁/M),是把入射动能的一部分分给质心整体平动,让C系下的相对动能刚好等于|Q|。
参考答案能,且应作为练习——在L系固定靶核,把能量守恒与动量守恒联立起来,令末态产物在L系整体静止即得阈能。
参考答案交换粒子后初末态不可区分,「入射」与「出射」的身份模糊;同时阈能公式 1+m₁/M→2,使L系阈能发散,需在C系下重新审视整个反应过程。