Войти
Логарифм относительной выходной энергии (ε) процессов синтеза протон-протон (PP), CNO и Triple-α при разных температурах. Пунктирной линией показано совместное генерирование энергии процессами PP и CNO внутри звезды. При температуре ядра Солнца процесс ПП более эффективен. Схема протон-протонной ветви I цепной реакции Цепная реакция протон-протон, также обычно называемая pp-цепь, является одним из двух известных наборов реакций ядерного синтеза, с помощью которых звезды преобразуют водород в гелий. Он доминирует в звездах с массой меньше или равной массе Солнца, тогда как цикл CNO, другая известная реакция, согласно теоретическим моделям, доминирует в звездах с массой больше чем примерно в 1,3 раза больше, чем у Солнца.
В целом, протон-протонный синтез может происходить только в том случае, если кинетическая энергия (т.е. температура ) протонов высока достаточно, чтобы преодолеть их взаимное электростатическое отталкивание.
На Солнце дейтерий -продуцирующие события происходят редко. Дипротоны - гораздо более частый результат протон-протонных реакций внутри звезды, и дипротоны почти сразу же распадаются обратно на два протона. Поскольку преобразование водорода в гелий происходит медленно, полное преобразование водорода в ядре Солнца, по расчетам, займет более десяти миллиардов лет.
Хотя это называется «протон- протонная цепная реакция ", это не цепная реакция в обычном смысле. В большинстве ядерных реакций цепная реакция обозначает реакцию, которая производит продукт, такой как нейтроны, испускаемые во время деления, который быстро вызывает другую такую реакцию.
Протон-протонная цепь, как и цепь распада, представляет собой серию реакций. Продукт одной реакции является исходным материалом для следующей реакции. Есть две такие цепи, ведущие от водорода к гелию на Солнце. В одной цепи пять реакций, в другой - шесть.
Теорию о том, что протон-протонные реакции являются основным принципом горения Солнца и других звезд, отстаивал Артур Эддингтон в 1920-х годах. В то время температура Солнца считалась слишком низкой для преодоления кулоновского барьера. После разработки квантовой механики было обнаружено, что туннелирование волновых функций протонов через барьер отталкивания позволяет осуществлять синтез при более низкой температуре, чем классический прогноз.
В 1939 году Ганс Бете попытался вычислить скорость различных реакций в звездах. Начав с объединения двух протонов, чтобы дать дейтерий и позитрон, он обнаружил то, что мы теперь называем ветвью II протон-протонной цепной реакции. Но он не считал важной реакцию двух ядер. He (ветвь I), которую мы теперь знаем. Это было частью работы в звездном нуклеосинтезе, за которую Бете получил Нобелевскую премию по физике в 1967 году.
Первым шагом во всех ветвях является синтез двух протонов в дейтерий. Когда протоны сливаются, один из них претерпевает бета плюс распад, превращаясь в нейтрон, испуская позитрон и электронное нейтрино ( хотя небольшое количество дейтерия образуется в результате реакции "pep", см. ниже).
позитрон, вероятно, аннигилирует с электроном из окружающей среды в два гамма-излучения. Включая эту аннигиляцию и энергию нейтрино, вся реакция имеет значение Q (выделенная энергия ) 1,442 МэВ. Относительное количество энергии, идущей к нейтрино и другим продуктам, варьируется.
Эта реакция является чрезвычайно медленной из-за того, что она инициируется слабым ядерным взаимодействием. Средний протон в ядре Солнца ждет 9 миллиардов лет, прежде чем он успешно сливается с другим протоном. Невозможно экспериментально измерить сечение этой реакции из-за этих длительных временных масштабов.
После его образования дейтерий, полученный на первой стадии, может сливаться с другим протон для производства легкого изотопа из гелия, . He. :
Этот процесс, опосредованный сильным ядерным взаимодействием, а не слабым взаимодействием, является чрезвычайно быстрым по сравнению с первым этапом. По оценкам, в условиях ядра Солнца каждое вновь созданное ядро дейтерия существует всего около четырех секунд, прежде чем превратиться в гелий-3.
На Солнце каждое ядро гелия-3, образующееся в этих реакциях, существует всего около 400 лет, прежде чем превратиться в гелий-4. После того, как гелий-3 был произведен, есть четыре возможных пути для генерации . He.. В p – p I гелий-4 образуется путем слияния двух ядер гелия-3; ветви p – p II и p – p III сливаются. He. с уже существующим. He. с образованием бериллия -7, который подвергается дальнейшим реакциям с образованием двух ядер гелия-4.
Согласно одной модели солнца, 83,3 процента произведенного . He. производится через ветвь p – p I, в то время как p – p II дает 16,68 процента, а p – p III - 0,02 процента. Поскольку половина нейтрино, образующихся в ответвлениях II и III, производится на первом этапе (синтез дейтерия), только около 8,35 процента нейтрино поступает на более поздних этапах (см. Ниже) и около 91,65 процента приходится на синтез дейтерия. Однако другая солнечная модель, созданная примерно в то же время, дает только 7,14 процента нейтрино от более поздних стадий и 92,86 процента от синтеза дейтерия. Разница, по-видимому, связана с немного разными предположениями о составе и металличности Солнца.
Также встречается крайне редкая p – p IV ветвь. Могут возникнуть и другие, еще более редкие реакции. Скорость этих реакций очень низкая из-за очень малых поперечных сечений или из-за того, что количество реагирующих частиц настолько мало, что любые реакции, которые могут произойти, являются статистически незначимыми.
Общая реакция такова:
с выделением энергии 26,73 МэВ, часть которой теряется для нейтрино.
Полная цепная реакция p – p I высвобождает чистую энергию 26,732 МэВ. Два процента этой энергии теряются в нейтрино, которые образуются. Ветвь p – p I доминирует при температурах от 10 до 14 МК. Ниже 10 MK p-p-цепь производит мало. He..
Цепная реакция протон-протон II | . 2He. | + | . 2He. | → | . 4Be. | + | . γ. | + | 1,59 МэВ | ||
| . 4Be. | + | . e. | → | . 3Li. | + | . ν. e | + | 0,861 МэВ | / | 0,383 МэВ |
| . 3Li. | + | . 1H. | → | 2. 2He. | + | 17,35 МэВ |
Ветвь p – p II доминирует при температурах от 14 до 23 МК.
Обратите внимание, что энергии во второй вышеупомянутой реакции - это энергии нейтрино, которые образуются в результате реакции. 90 процентов нейтрино, образующихся в реакции. Be. -. Li., несут энергию 0,861 МэВ, а остальные 10 процентов несут 0,383 МэВ. Разница заключается в том, находится ли полученный литий-7 в основном состоянии или возбужденном (метастабильном ) состоянии соответственно. Полная энергия, выделяемая при переходе от. Be к стабильному. Li, составляет около 0,862 МэВ, и почти вся энергия теряется для нейтрино, если распад идет непосредственно на стабильный литий.
Цепная реакция протон – протон III | . 2He. | + | . 2He. | → | . 4Be. | + | . γ. | + | 1,59 МэВ | |
| . 4Be. | + | . 1H. | → | . 5B. | + | . γ. | |||
| . 5B. | → | . 4Be. | + | . e. | + | . ν. e | |||
| . 4Be. | → | 2 . 2He. |
Вклад последних трех стадий этой цепи в сумме составляет 18,21 МэВ, хотя большая часть этого теряется для нейтрино.
Цепь p – p III является доминирующей, если температура превышает 23 МК.
Цепочка p – p III не является основным источником энергии на Солнце, но она была очень важна в проблеме солнечных нейтрино, поскольку генерирует нейтрино очень высокой энергии (до 14.06 МэВ).
Эта реакция предсказана теоретически, но никогда не наблюдалась из-за ее редкости (около 0,3 ppm на Солнце). В этой реакции гелий-3 захватывает протон напрямую с образованием гелия-4 с еще более высокой возможной энергией нейтрино (до 18,8 МэВ).
Соотношение масса-энергия дает 19,795 МэВ для энергии, выделяемой в этой реакции, часть которой теряется для нейтрино.
Сравнение массы последнего атома гелия-4 с массами четырех протонов показывает, что 0,7 процента массы исходных протонов потеряно. Эта масса была преобразована в энергию в виде гамма-лучей и нейтрино, высвобождаемых во время каждой отдельной реакции. Суммарный выход энергии всей цепочки составляет 26,73 МэВ.
Энергия, выделяющаяся в виде гамма-лучей, взаимодействует с электронами и протонами и нагревает внутреннее пространство Солнца. Также кинетическая энергия продуктов слияния (например, двух протонов и . 2He. реакции p – p I) увеличивает температуру плазмы на Солнце. Этот нагрев поддерживает Солнце и предотвращает его схлопывание под собственным весом, как если бы солнце остыло.
Нейтрино не взаимодействуют существенно с веществом и поэтому не помогают Солнцу противостоять гравитационному коллапсу. Их энергия теряется: нейтрино в цепочках p – p I, p – p II и p – p III уносят 2,0%, 4,0% и 28,3% энергии в этих реакциях соответственно.
Следующая таблица вычисляет количество энергии, потерянной нейтрино (2,34%), и количество «светимости», исходящей от трех ветвей. «Светимость» здесь просто означает количество энергии, испускаемой Солнцем в виде электромагнитного излучения, а не нейтрино. Использованы начальные цифры, упомянутые выше в этой статье.
| Филиал | Процент произведенного гелия-4 | Процент потерь из-за образования нейтрино | Относительное количество потерянной энергии | Относительная величина создаваемой светимости | Процент общей светимости |
|---|---|---|---|---|---|
| Ветвь I | 83,3 | 2 | 1,67 | 81,6 | 83,6 |
| Ветвь II | 16,68 | 4 | 0,67 | 16,0 | 16,4 |
| Ветвь III | 0,02 | 28,3 | 0,0057 | 0,014 | 0,015 |
| Итого | 100 | 2,34 | 97,7 | 100 |
Цепные реакции протон-протон и захват электронов в звезде Дейтерий также могут быть произведены с помощью редкой реакции pep (протон-электрон-протон) (электронный захват ):
На Солнце соотношение частот pep-реакции и p-p-реакции составляет 1: 400. Однако нейтрино, высвобождаемые реакцией pep, гораздо более энергичны: в то время как нейтрино, произведенные на первом этапе диапазона p – p-реакций с энергией до 0,42 МэВ, реакция pep дает резкую линию энергии нейтрино 1,44 МэВ. Об обнаружении солнечных нейтрино в результате этой реакции сообщила коллаборация Borexino в 2012 году.
Реакции pep и p – p можно рассматривать как два разных представления Фейнмана того же основного взаимодействия, при котором электрон переходит в правую часть реакции как позитрон. Это представлено на рисунке цепных реакций протон-протон и захвата электрона в звезде, доступном на веб-сайте NDM'06.
 | На Викискладе есть материалы, связанные с Протон-протонная цепная реакция. |
