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