核反応は、原子核が変化し、新しい元素または同位体が生成されるプロセスです。核反応の最も重要な種類の 1 つは **核融合** です。これは、2 つの軽い原子核を組み合わせて重い原子核を形成し、その過程で大量のエネルギーを放出するプロセスです。核融合は、太陽を含む星のエネルギー源です。
しかし、核融合は、正に帯電したものの間の斥力に打ち勝つために非常に高い温度と圧力を必要とするため、地球上で達成するのは簡単ではありません。核。核融合研究の課題の 1 つは、核融合反応を制御し、核融合反応から有用なエネルギーを取り出すのに十分な時間維持する方法を見つけることです。
科学者が研究している可能性のある核融合反応の 1 つは次のとおりです。以下:
$$2D + 3T \rightarrow 4He + n + 17.6 MeV$$
この反応では、水素の 2 つの同位体、重水素 (D) と三重水素 (T) 、融合してヘリウム (He) と中性子 (n) の同位体を形成し、反応ごとに 1,760 万電子ボルト (MeV) のエネルギーを放出します。重水素と三重水素はどちらも放射性ですが、比較的豊富に存在し、それぞれ水とリチウムから抽出できます。
核融合反応の速度を測定する方法
速度核融合反応の速度は、反応がどれだけ速く起こっているか、または単位時間あたりにどれだけの核融合イベントが起こっているかの尺度です。核融合反応の速度は、次のようないくつかの要因によって決まります。
– 反応する核の温度と圧力
– 反応する核の濃度と密度
– 反応の断面積または確率
– 反応に影響を与える触媒または阻害剤の存在
核融合の速度を測定する 1 つの方法反応とは、時間の経過に伴う反応物と生成物の濃度または量の変化を監視することです。たとえば、上記の反応では、重水素と三重水素がどのくらいの速さで消滅するか、またはヘリウムと中性子がどのくらいの速さで現れるかを測定できます。
ただし、反応物や生成物が異なれば、平衡方程式における化学量論係数も異なるため、 、料金を比較するときはそれらを考慮する必要があります。たとえば、重水素原子が 2 つ消えるごとに、ヘリウム原子が 1 つ現れます。したがって、ヘリウムの出現速度と同じ速度を得るには、重水素の消失速度を 2 で割る必要があります。
一般に、異なる種の速度を関連付ける次の式を書くことができます。核融合反応の場合:
$$\frac{d[A]}{dt}=-\frac{a}{A}\frac{d[B]}{dt}=-\ frac{a}{B}\frac{d[C]}{dt}=\frac{a}{C}\frac{d[D]}{dt}$$
ここで [A ]、[B]、[C]、[D] はそれぞれ反応物と生成物の濃度または量、a、b、c、d はそれぞれ平衡方程式における化学量論係数、d/dtは、時間に対する変化率を示します。
NO の出現率は O2 の消失率にどのような関係がありますか?
この質問に答えるために、別のことを考えてみましょう。反応物および生成物として窒素 (N) と酸素 (O) が含まれる核融合反応:
$$14N + 2D \rightarrow 15O + p + 3.5 MeV$$
$$15 O \rightarrow 15N + e^+ + \nu_e + 1.7 MeV$$
$$15N + D \rightarrow 12C + 4He + 4.96 MeV$$
この反応では、窒素が-14 (14N) と重水素 (D) が融合して酸素-15 (15O) と陽子 (p) を形成し、反応ごとに 3.5 MeV のエネルギーを放出します。その後、酸素 15 は窒素 15 (15N)、陽電子 (e+)、およびニュートリノ (\nu_e) に崩壊し、崩壊ごとに 1.7 MeV のエネルギーを放出します。次に、窒素 15 は別の重水素原子と融合して炭素 12 (12C) とヘリウム 4 (4He) を形成し、反応ごとに 4.96 MeV のエネルギーを放出します。
この反応は **炭素としても知られています。-窒素-酸素サイクル** または **CNO サイクル**。これは、太陽よりも重い星の主なエネルギー源の 1 つです。
NO (一酸化窒素) の出現率を関連付けるには、 ) O2 (酸素ガス) の消失速度に影響を与えるには、次の 2 つのステップを考慮する必要があります。
1. N 原子と O 原子からの NO の形成
2. NO による O2 の消費
N 原子と O 原子からの NO の生成は、次の方程式で表すことができます:
$$N + O \rightarrow NO + 6.4 eV$$
ここで、6.4 eV は反応ごとに放出されるエネルギーです。
NO による O2 の消費は次の方程式で表すことができます:
$$2NO + O2 \rightarrow 2NO2 + 114 kJ$$
ここで、114 kJ は反応ごとに放出されるエネルギーです。
核融合反応におけるさまざまな種の速度を関連付ける式を使用すると、次のことがわかります。これら 2 つのステップについて次の方程式を書きます。
$$\frac{d[N]}{dt}=-\frac{d[O]}{dt}=-\frac{d[NO] ]}{dt}$$
$$\frac{d[O_2]}{dt}=-\frac{1}{2}\frac{d[NO]}{dt}=-\frac{1}{2}\frac{d[NO_2]}{dt}$$
これら 2 つの式を組み合わせると、NO の出現率と NO の出現率の間に次の関係が得られます。 O2 の消失:
$$\frac{d[NO]}{dt}=-\frac{1}{4}\frac{d[O_2]}{dt}$$
これは、NO が 4 分子現れるごとに、O2 が 1 分子消えることを意味します。
結論
この記事では、NO の割合を測定する方法を説明しました。反応物と生成物の濃度または量の経時変化を監視することによる核融合反応。また、平衡方程式の化学量論係数を使用して、核融合反応におけるさまざまな種の速度を関連付ける方法も示しました。最後に、これらの概念を適用して、NO の出現率は O2 の消失率にどのように関係するのかという質問に答えました。 NO 分子が 4 つ出現するごとに、O2 分子が 1 つ消滅することがわかりました。
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