CNO-цикл

Запрос «Углеродный цикл» перенаправляется сюда; о переносе углерода между различными геохимическими резервуарами см. Геохимический цикл углерода.
Ядерные процессы
Радиоактивный распад
Нуклеосинтез

CNO-цикл — термоядерная реакция превращения водорода в гелий, в которой углерод, кислород и азот выступают как катализаторы. Считается одним из основных процессов термоядерного синтеза в массивных звёздах главной последовательности.

Процесс углеродного сгорания

CNO-цикл — это совокупность трёх сцепленных друг с другом или, точнее, частично перекрывающихся циклов. Самый простой из них — CN-цикл (цикл Бете, или углеродный цикл) — был предложен в 1938 году Хансом Бете[1] и независимо от него Карлом Вайцзеккером[2].

Основной путь реакции CN-цикла[3] (дополнительно указано характерное время протекания реакций)[4]:

12C + p → 13N + γ +1,94 МэВ ~1,3⋅107 лет
13N → 13C + e+ + νe +2,22 МэВ ~7 минут (либо +1,20 МэВ без учёта аннигиляции e+; T½ для 13N = 9,96 мин[5])
13C + p → 14N + γ +7,55 МэВ ~2,7⋅106 лет
14N + p → 15O + γ +7,30 МэВ ~3,2⋅108 лет
15O → 15N + e+ + νe +2,75 МэВ ~82 секунды (либо +1,73 МэВ без учёта аннигиляции e+; T½ для 15O = 122,24 с[5])
15N + p → 12C + 4He +4,96 МэВ ~1,1⋅105 лет

Суть этого цикла состоит в непрямом синтезе α-частицы из четырёх протонов при их последовательных захватах ядрами, начиная с 12C.

Процессы кислородного сгорания

В реакции с захватом протона ядром 15N возможен ещё один исход (с вероятностью примерно 1/1000): образование ядра 16О и рождение нового цикла, называемого NO I-циклом.

Он имеет в точности ту же структуру, что и CN-цикл:

14N + 1H → 15O + γ +7,29 МэВ (3,2⋅108 лет[4])
15O → 15N + e+ + νe +2,76 МэВ (82 секунды)
15N + 1H → 16O + γ +12.13 МэВ
16O + 1H → 17F + γ +0,60 МэВ
17F → 17O + e+ + νe +2,76 МэВ
17O + 1H → 14N + 4He +1,19 МэВ

NO I-цикл повышает темп энерговыделения в CN-цикле, увеличивая число ядер-катализаторов CN-цикла.

Последняя реакция этого цикла также имеет два варианта протекания, один из которых даёт начало ещё одному циклу — NO II-циклу:

15N + 1H → 16O + γ +12.13 МэВ
16O + 1H → 17F + γ +0,60 МэВ
17F → 17O + e+ + νe +2,76 МэВ
17O + 1H → 18F + γ +5,61 МэВ
18F → 18O + e+ + νe + 1.656 МэВ
18O + 1H → 15N + 4He +3, 98 МэВ

Таким образом, циклы CN, NO I и NO II образуют тройной CNO-цикл.

Имеется ещё один очень медленный четвёртый цикл, т. н. OF-цикл, но его роль в выработке энергии ничтожно мала — на один такой цикл приходится примерно по тысяче циклов NO I и NO II и более миллиона циклов CN (это объясняется тем, что сечение реакции 17O + 1H → 18F + γ на три порядка ниже, чем 17O + 1H → 14N + 4He)[6]. Однако этот цикл важен для объяснения происхождения 19F.

17O + 1H → 18F + γ + 5.61 МэВ
18F → 18O + e+ + νe + 1.656 МэВ
18O + 1H → 19F + γ + 7.994 МэВ
19F + 1H → 16O + 4He + 8.114 МэВ
16O + 1H → 17F + γ + 0.60 МэВ
17F → 17O + e+ + νe + 2.76 МэВ

При взрывном горении водорода в поверхностных слоях звёзд, например, при вспышках сверхновых, могут развиваться очень высокие температуры, и характер CNO-цикла резко меняется. Он превращается в так называемый горячий CNO-цикл, в котором реакции идут очень быстро и запутанно.

См. также

Примечания

  1. ↑ H. A. Bethe: Energy Production in Stars. Physical Review 55 (1939) 434—456, doi:10.1103/PhysRev.55.434.
  2. ↑ C. F. von Weizsäcker: Über Elementumwandlungen im Innern der Sterne. Physikalische Zeitschrift 38 (1937) 176—191 und 39 (1938) 633—646.
  3. ↑ An Introduction to Nuclear Astrophysics, By Richard N. Boyd, University of Chicago Press, Jun 1, 2008, ISBN 978-0-226-06971-5; page 211
  4. ↑ 1 2 Статья УГЛЕРОДНЫЙ ЦИКЛ, Физический энциклопедический словарь. — М.: Советская энциклопедия. Главный редактор А. М. Прохоров. 1983.
  5. ↑ 1 2 Principles and Perspectives in Cosmochemistry, Springer, 2010, ISBN 978-3-642-10368-1, page 233
  6. ↑ Астронет > Углеродный цикл. Дата обращения: 9 января 2013. Архивировано 6 марта 2012 года.

Литература

Ссылки

  • Bethe, H. A. (1939). "Energy Production in Stars". Physical Review. 55 (5): 434—56. Bibcode:1939PhRv...55..434B. doi:10.1103/PhysRev.55.434.
  • Iben, I. (1967). "Stellar Evolution Within and off the Main Sequence". Annual Review of Astronomy and Astrophysics. 5: 571—626. Bibcode:1967ARA&A...5..571I. doi:10.1146/annurev.aa.05.090167.003035.