CNO-цикл

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
(перенаправлено с «Углеродный цикл»)
Перейти к навигации Перейти к поиску
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 код]

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

[править | править код]

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.

Примечания

[править | править код]
  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

[править | править код]
  • 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.