Главная
Новости
Строительство
Ремонт
Дизайн и интерьер




07.01.2022


07.01.2022


06.01.2022


03.01.2022


28.12.2021





Яндекс.Метрика





Протон-протонный цикл

02.05.2022

Протон-протонный цикл — совокупность термоядерных реакций, в ходе которых водород превращается в гелий в звёздах, находящихся на главной звёздной последовательности; основная альтернатива CNO-циклу. Протон-протонный цикл доминирует в звёздах с массой порядка массы Солнца или меньше, на него приходится до 98 % выделяемой энергии.

Цикл принято делить на три основных цепочки: ppI, ppII, ppIII. Существенный вклад в энерговыделение вносят только первые две. Оставшиеся превращения существенны только при точном подсчёте количества высокоэнергичных нейтрино.

Продукты протон-протонного цикла

Конечным продуктом цепочки ppI, доминирующей при температурах от 10 до 14 миллионов градусов, является ядро атома гелия, возникшее в результате слияния четырёх протонов с выделением энергии, эквивалентной 0,7 % массы этих протонов. Цикл включает в себя три стадии. Вначале два протона, имеющие достаточно энергии, чтобы преодолеть кулоновский барьер, сливаются, образуя дейтрон, позитрон и электронное нейтрино; затем дейтрон сливается с протоном, образуя ядро 3He; наконец, два ядра атома гелия-3 сливаются, образуя ядро атома гелия-4. При этом высвобождаются два протона.

  • p + p → 2H + e+ + νe + 0,42 МэВ
  • 2H + p → 3He + γ + 5,49 МэВ.
  • 3He + 3He → 4He + 2p + 12,85 МэВ.

Другие две цепочки (ppII и ppIII) вносят вклад в цикл при более высоких температурах, чем ppI. На Солнце около 85 % слияний водорода в гелий-4 происходят через ppI.

Время, через которое Солнце израсходует своё «топливо» в ядре и эта реакция там прекратится, оценивается в 6 миллиардов лет. Дальнейшая эволюция Солнца связана со сжатием ядра, где начнётся ядерное горение гелия и продолжением горения водорода в сферической оболочке вокруг ядра.

Протон-протонный цикл (все три цепочки, а также hep- и pep-ветви).

pp-реакция

Реакция слияния двух протонов происходит в две стадии. Сначала два протона образуют дипротон ( 2 H e {displaystyle mathrm {^{2}He} } ):

1 1 H + 1 1 H → 2 2 H e . {displaystyle mathrm {_{1}^{1}H} +mathrm {_{1}^{1}H} ightarrow mathrm {_{2}^{2}He} .}

Дипротон практически моментально распадается обратно на два протона (протонный распад), однако, в крайне редком случае он успевает испытать бета+ распад, превращаясь в дейтрон (ядро дейтерия 2 H {displaystyle mathrm {^{2}H} } ):

2 2 H e → 1 2 H + e + + ν e . {displaystyle mathrm {_{2}^{2}He} ightarrow mathrm {_{1}^{2}H} +e{^{+}}+ u _{e}.}

Таким образом, общая формула реакции:

1 1 H + 1 1 H → 1 2 H + e + + ν e + 0.42 M e V . {displaystyle mathrm {_{1}^{1}H+_{1}^{1}H} ightarrow mathrm {_{1}^{2}H} +e{^{+}}+ u _{e}+mathrm {0.42MeV} .}

pep-реакция

В некоторых случаях (на Солнце 0,25 %, или в одной реакции из 400) слияние протонов в ядро дейтерия происходит не с эмиссией позитрона, а с поглощением электрона. Это слияние двух протонов и электрона называется pep-реакцией (по частицам в начальном состоянии); в ней излучается моноэнергетическое нейтрино с энергией 1,44 МэВ, выпускаемое при электронном захвате.

Общая формула электронного захвата p + + e − → n + ν e {displaystyle mathrm {p} ^{+}+mathrm {e} ^{-} ightarrow mathrm {n} +{ u }_{e},} , и электронный захват происходит внутри дипротона, пока он не распался.

hep-реакция

Обычно ядро гелия-3, образовавшееся во второй реакции pp-цикла после слияния дейтрона и протона, реагирует с другим ядром 3He (ветвь ppI, 85 % в условиях Солнца) или 4He (ветви ppII и ppIII, суммарно около 15 % на Солнце). В очень редких случаях (10−5% на Солнце) 3He захватывает протон с образованием ядра гелия-4, позитрона и электронного нейтрино. Эта так называемая hep-реакция (название от He+p) редка, так как она происходит посредством слабого взаимодействия — один из трёх протонов, имеющихся в начальном состоянии, должен превратиться в нейтрон — в то время как конкурирующие реакции 3He+3He и 3He+4He, несмотря на более высокий кулоновский барьер, не связаны с изменением заряда нуклонов.