Interested Article - CNO-цикл

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 и независимо от него Карлом Вайцзеккером .

Основной путь реакции CN-цикла (дополнительно указано характерное время протекания реакций) :

¹² C + p	→	¹³ N + γ	+1,94 М эВ	~1,3⋅10 ⁷ лет
¹³ N	→	¹³ C + e ⁺ + ν _e	+2,22 МэВ	~7 минут	(либо +1,20 МэВ без учёта аннигиляции e ⁺ ; T ½ для ¹³ N = 9,96 мин )
¹³ C + p	→	¹⁴ N + γ	+7,55 МэВ	~2,7⋅10 ⁶ лет
¹⁴ N + p	→	¹⁵ O + γ	+7,30 МэВ	~3,2⋅10 ⁸ лет
¹⁵ O	→	¹⁵ N + e ⁺ + ν _e	+2,75 МэВ	~82 секунды	(либо +1,73 МэВ без учёта аннигиляции e ⁺ ; T ½ для ¹⁵ O = 122,24 с )
¹⁵ N + p	→	¹² C + ⁴ He	+4,96 МэВ	~1,1⋅10 ⁵ лет

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

Процессы кислородного сгорания

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

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

¹⁴ N + ¹ H	→	¹⁵ O + γ	+7,29 М эВ	(3,2⋅10 ⁸ лет )
¹⁵ O	→	¹⁵ N + e ⁺ + ν _e	+2,76 МэВ	(82 секунды)
¹⁵ N + ¹ H	→	¹⁶ O + γ	+12.13 МэВ
¹⁶ O + ¹ H	→	¹⁷ F + γ	+0,60 МэВ
¹⁷ F	→	¹⁷ O + e ⁺ + ν _e	+2,76 МэВ
¹⁷ O + ¹ H	→	¹⁴ N + ⁴ He	+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 :

¹⁵ N + ¹ H	→	¹⁶ O + γ	+12.13 МэВ
¹⁶ O + ¹ H	→	¹⁷ F + γ	+0,60 МэВ
¹⁷ F	→	¹⁷ O + e ⁺ + ν _e	+2,76 МэВ
¹⁷ O + ¹ H	→	¹⁸ F + γ	+5,61 МэВ
¹⁸ F	→	¹⁸ O + e ⁺ + ν _e	+ 1.656 МэВ
¹⁸ O + ¹ H	→	¹⁵ N + ⁴ He	+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 ¹⁷ O + ¹ H → ¹⁸ F + γ на три порядка ниже, чем ¹⁷ O + ¹ H → ¹⁴ N + ⁴ He) . Однако этот цикл важен для объяснения происхождения ¹⁹ F.

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

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

Литература

/ Д. К. Надёжин // Физика космоса: Маленькая энциклопедия / Редкол.: Р. А. Сюняев (Гл. ред.) и др. — 2-е изд. — М. : Советская энциклопедия , 1986. — С. 679—681. — 70 000 экз.

Ссылки

Bethe, H. A. (1939). “Energy Production in Stars”. Physical Review . 55 (5): 434—56. Bibcode : . DOI : .
Iben, I. (1967). . . 5 : 571—626. Bibcode : . DOI : .

[1] H. A. Bethe: Energy Production in Stars. Physical Review 55 (1939) 434—456, .

[2] C. F. von Weizsäcker: Über Elementumwandlungen im Innern der Sterne. Physikalische Zeitschrift 38 (1937) 176—191 und 39 (1938) 633—646.

[boyd08-3] , By Richard N. Boyd, University of Chicago Press, Jun 1, 2008, ISBN 978-0-226-06971-5 ; page 211

[phys_enc_736-4] Статья УГЛЕРОДНЫЙ ЦИКЛ, Физический энциклопедический словарь. — М.: Советская энциклопедия. Главный редактор А. М. Прохоров. 1983.

[half-life-cn-5] , Springer, 2010, ISBN 978-3-642-10368-1 , page 233

[6] (неопр.) . Дата обращения: 9 января 2013. 6 марта 2012 года.