CNO-цикл

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
(перенаправлено с «Цикл Бете»)
Перейти к: навигация, поиск
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[править | править исходный текст]

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 Хансом Бете в 1938[1] и, независимо от него, Карлом Вайцзеккером[2].

CNO Cycle.svg

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 учета аннигиляции e+; T½ для 13N = 9,96 минуты[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 сек (либо +1.73 МэВ без учета аннигиляции e+; T½ для 15O = 122.24 секунды[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[править | править исходный текст]

В реакции с захватом протона ядром 15N возможен ещё один исход: 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. 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[править | править исходный текст]

Примечания[править | править исходный текст]

  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 9780226069715; page 211
  4. 1 2 Статья УГЛЕРОДНЫЙ ЦИКЛ, Физический энциклопедический словарь. — М.: Советская энциклопедия. Главный редактор А. М. Прохоров. 1983. [1]
  5. 1 2 Principles and Perspectives in Cosmochemistry, Springer, 2010, ISBN 9783642103681, page 233

Ссылки[править | править исходный текст]