Протон-протонная цепь , также обычно называют как цепь рра , является одним из двух известных наборов ядерных синтеза реакций с помощью которых звезды преобразуют водород в гелий . Он доминирует в звездах с массами меньше или равно , что от Солнца , [2] , тогда как цикл CNO , другой известной реакции, предлагается теоретическими моделями доминировать в звездах с массами , большими , чем примерно в 1,3 раза , что Солнца [3]
В общем, протон-протонный синтез может происходить только в том случае, если кинетическая энергия (т.е. температура ) протонов достаточно высока, чтобы преодолеть их взаимное электростатическое отталкивание . [4]
На Солнце события с образованием дейтерия редки. 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. [5]
Хотя иногда 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 при делении , который быстро вызывает другую такую реакцию. Цепь протон-протон, как и цепь распада , представляет собой серию реакций. Продукт одной реакции является исходным материалом для следующей реакции. Есть две основные цепи, ведущие от водорода к гелию на Солнце. В одной цепи пять реакций, в другой - шесть.
История теории
Теория о том, что протон-протонные реакции являются основным принципом горения Солнца и других звезд, была отстаивалась Артуром Эддингтоном в 1920-х годах. В то время температура Солнца считалась слишком низкой для преодоления кулоновского барьера . После развития квантовой механики , было обнаружено , что туннелирование из волновых функций протонов через отталкивающий барьер позволяет для слияния при более низкой температуре , чем классическое предсказание.
В 1939 году Ганс Бете попытался вычислить скорость различных реакций в звездах. Начав с объединения двух протонов, чтобы получить дейтерий и позитрон, он обнаружил то, что мы теперь называем ветвью II протон-протонной цепи. Но он не учел реакцию двух3
Он ядер (Branch I) , которые мы теперь знаем, что важно. [6] Это было частью работы в области звездного нуклеосинтеза, за которую Бете получил Нобелевскую премию по физике в 1967 году.
Протон-протонная цепочка
Первым шагом во всех ветвях является слияние двух протонов в дейтерий . Когда протоны сливаются, один из них подвергается бета-положительному распаду , превращаясь в нейтрон , испуская позитрон и электронное нейтрино [7] (хотя небольшое количество дейтерия производится в результате реакции "pep", см. Ниже):
Позитронно будет аннигилирует с электроном из окружающей среды в двух гамма - лучей . Включая эту аннигиляцию и энергию нейтрино, итоговая реакция
п + п + е- → 2 1D + νе + 1,442 МэВ
(которая аналогична реакции PEP, см. ниже) имеет значение Q (выделенная энергия ) 1,442 МэВ : [7] Относительное количество энергии, идущей к нейтрино и другим продуктам, может меняться.
Это реакция, ограничивающая скорость, и она очень медленная из-за того, что инициируется слабым ядерным взаимодействием . Средний протон в ядре Солнца ждет 9 миллиардов лет, прежде чем он успешно сливается с другим протоном . Невозможно измерить сечение этой реакции экспериментально, поскольку оно очень мало [8], но может быть рассчитано теоретически. [1]
После того, как она формируется, дейтерий , полученный на первой стадии может сливаться с другим протоном для получения света изотопа из гелия ,3Он:
2 1D + 1 1ЧАС → 3 2Он +
γ
+ 5,493 МэВ
Этот процесс, опосредованный сильным ядерным взаимодействием, а не слабым взаимодействием, является чрезвычайно быстрым по сравнению с первым шагом. Подсчитано, что в условиях ядра Солнца каждое вновь созданное ядро дейтерия существует всего около одной секунды, прежде чем превратиться в гелий-3. [1]
На Солнце каждое ядро гелия-3, образующееся в этих реакциях, существует всего около 400 лет, прежде чем превратиться в гелий-4. [9] После того, как гелий-3 был произведен, есть четыре возможных пути для генерации4Он. В p – p I гелий-4 образуется путем слияния двух ядер гелия-3; плавление ветвей p – p II и p – p III3
Он
с ранее существовавшими 4
Он
с образованием бериллия- 7, который подвергается дальнейшим реакциям с образованием двух ядер гелия-4.
Около 99% энергии, выделяемой солнцем, приходится на различные цепочки pp, а другой 1% - на цикл CNO . Согласно одной модели Солнца, 83,3 процента4Онпроизведенный различными ветвями pp производится через ветвь I, в то время как p – p II производит 16,68 процента, а p – p III - 0,02 процента. [1] Поскольку половина нейтрино, образующихся в ветвях 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. [10] 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 мала из-за очень малых поперечных сечений или из-за того, что количество реагирующих частиц настолько мало, что любые реакции, которые могут произойти, статистически незначимы.
Общая реакция такова:
- 4 1 H + + 2e - → 4 He 2+ + 2ν e
высвобождая 26,73 МэВ энергии, часть которой теряется для нейтрино.
Ветвь p – p I
3 2Он + 3 2Он → 4 2Он + 2 1 1ЧАС + 12,859 МэВ
Полная цепочка высвобождает чистую энергию 26,732 МэВ [11], но 2,2% этой энергии (0,59 МэВ) теряется на нейтрино, которые образуются. [12] Ветвь p – p I доминирует при температурах от 10 до14 МК . [ необходима ссылка ] Ниже10 МК , п – п цепь не дает много4
Он
. [ необходима цитата ]
Ветвь p – p II
3 2Он + 4 2Он → 7 4Быть +
γ
+ 1,59 МэВ 7 4Быть +
е-
→ 7 3Ли- +
ν
е+ 0,861 МэВ / 0,383 МэВ 7 3Ли + 1 1ЧАС → 24 2Он + 17,35 МэВ
Ветвь p – p II доминирует при температурах от 14 до 23 МК . [ необходима цитата ]
Обратите внимание, что энергии во второй приведенной выше реакции - это энергии нейтрино, которые производятся в результате реакции. 90 процентов нейтрино, образующихся в результате реакции7
Быть
к 7
Ли
нести энергию 0,861 МэВ , а остальные 10% несут0,383 МэВ . Разница в том, находится ли литий-7 в основном или возбужденном ( метастабильном ) состоянии соответственно. Общая энергия, высвобождаемая из7
Быть стабильным7
Li составляет около 0,862 МэВ, и почти все это количество теряется нейтрино, если распад идет непосредственно на стабильный литий.
Ветвь p – p III
3 2Он + 4 2Он → 7 4Быть + γ + 1,59 МэВ 7 4Быть + 1 1ЧАС → 8 5B + γ 8 5B → 8 4Быть + е+ + νе 8 4Быть → 2 4 2Он
Последние три стадии этой цепочки плюс аннигиляция позитронов дают в сумме 18,209 МэВ, хотя большая часть этой суммы теряется для нейтрино.
Цепочка 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 высоких энергий (до14.06 МэВ ).
Ветвь p – p IV (Hep)
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, давая гелий-4 с еще более высокой возможной энергией нейтрино (до 18,8 МэВ [ ссылка ] ).
3 2Он + 1 1ЧАС → 4 2Он + е+ + νе
Соотношение масса-энергия дает 19,795 МэВ для энергии, выделяемой этой реакцией, плюс последующая аннигиляция, часть которой теряется для нейтрино.
Высвобождение энергии
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 кинетической энергии произведенных частиц, гамма-лучей и нейтрино, высвобождаемых во время каждой отдельной реакции. Общий выход энергии одной цепи составляет26,73 МэВ .
Энергия, выделяемая в виде гамма-лучей, взаимодействует с электронами и протонами и нагревает внутреннее пространство Солнца. Также кинетическая энергия продуктов синтеза (например, двух протонов и4 2Онот p – p I реакции) добавляет энергию плазме на Солнце. Этот нагрев сохраняет ядро Солнца горячим и предотвращает его коллапс под собственным весом, как если бы солнце остыло.
Нейтрино существенно не взаимодействуют с веществом и, следовательно, не нагревают внутреннее пространство и тем самым 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. [13]
В следующей таблице вычисляется количество энергии, потерянной нейтрино, и количество « солнечной светимости », исходящей от трех ветвей. «Светимость» здесь означает количество энергии, испускаемой Солнцем в виде электромагнитного излучения, а не нейтрино. Использованы начальные цифры, упомянутые выше в этой статье. Таблица касается только 99% мощности и нейтрино, приходящихся на pp-реакции, а не 1%, приходящихся на цикл CNO.
Ветка | Процент произведенного гелия-4 | Процент потерь из-за образования нейтрино | Относительное количество потерянной энергии | Относительное количество создаваемой светимости | Процент общей светимости |
---|---|---|---|---|---|
Филиал I | 83,3 | 2 | 1,67 | 81,6 | 83,6 |
Филиал II | 16,68 | 4 | 0,67 | 16.0 | 16,4 |
Ветвь III | 0,02 | 28,3 | 0,0057 | 0,014 | 0,015 |
Общее | 100 | 2.34 | 97,7 | 100 |
Реакция PEP
Дейтерий также может быть получен с помощью редкой pep (протон-электрон-протонной) реакции ( электронного захвата ):
1 1ЧАС + е- + 1 1ЧАС → 2 1D+ + νе
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, образовавшиеся на первом этапе p – p-реакции, имеют энергию до0,42 МэВ реакция pep дает нейтрино с острой линией энергии1,44 МэВ . Об обнаружении солнечных нейтрино в результате этой реакции сообщила коллаборация Borexino в 2012 году [14].
Обе реакции pep и p – p можно рассматривать как два разных фейнмановских представления одного и того же основного взаимодействия, где электрон переходит в правую сторону реакции как позитрон. Это представлено на рисунке протон-протонной реакции и реакции захвата электрона в звезде, доступном на сайте NDM'06. [15]
Смотрите также
- Цикл CNO
- Тройной альфа-процесс
Рекомендации
- ^ a b c d Адельбергер, Эрик Дж .; и другие. (12 апреля 2011 г.). «Сечения слияния Солнца. II. Цепочка pp и CNO-циклы». Обзоры современной физики . 83 (1): 201. arXiv : 1004.2318 . Bibcode : 2011RvMP ... 83..195A . DOI : 10.1103 / RevModPhys.83.195 . S2CID 119117147 . См. Рис. 2. Подпись не очень ясна, но было подтверждено, что проценты относятся к тому, сколько происходит каждой реакции или, что эквивалентно, сколько гелия-4 производится каждой ветвью.
- ^ «Протон – протонная цепочка» . Астрономия 162: звезды, галактики и космология . Архивировано из оригинала на 2016-06-20 . Проверено 30 июля 2018 .
- ^ Саларис, Маурицио; Кассизи, Санти (2005). Эволюция звезд и звездных популяций . Джон Вили и сыновья . С. 119–121. ISBN 0-470-09220-3.
- ^ Ишфак Ахмад , ядра , 1 : 42, 59, (1971), Протон типа ядерная реакция деления.
- ^ Кеннет С. Крейн, Введение в ядерную физику , Wiley, 1987, стр. 537.
- ^ Ганс Бете (1 марта 1939 г.). «Производство энергии в звездах» . Физический обзор . 55 (5): 434–456. Полномочный код : 1939PhRv ... 55..434B . DOI : 10.1103 / PhysRev.55.434 .
- ^ а б Илиадис, Кристиан (2007). Ядерная физика звезд . Вайнхайм: Wiley-VCH. ISBN 9783527406029. OCLC 85897502 .
- ^ Филлипс, Энтони С. (1999). Физика звезд (2-е изд.). Чичестер: Джон Вили. ISBN 0471987972. OCLC 40948449 .
- ↑ На этот и два других раза выше взято из: Byrne, J. Neutrons, Nuclei, and Matter , Dover Publications, Mineola, NY, 2011, ISBN 0486482383 , стр. 8.
- ^ Альдо Серенелли; и другие. (Ноябрь 2009 г.). "Новый состав Солнца: пересмотр проблемы с моделями Солнца". Письма в астрофизический журнал . 705 (2): L123 – L127. arXiv : 0909.2668 . Bibcode : 2009ApJ ... 705L.123S . DOI : 10.1088 / 0004-637X / 705/2 / L123 . S2CID 14323767 . Рассчитано по модели AGSS09 в таблице 3.
- ^ ЛеБлан, Фрэнсис. Введение в звездную астрофизику .
- ^ Burbidge, E .; Burbidge, G .; Фаулер, Уильям; Хойл, Ф. (1 октября 1957 г.). «Синтез элементов в звездах» . Обзоры современной физики . 29 (4): 547–650. Bibcode : 1957RvMP ... 29..547B . DOI : 10.1103 / RevModPhys.29.547 .
- ↑ Клаус Э. Рольфс и Уильям С. Родни, Котлы в космосе , Издательство Чикагского университета, 1988, стр. 354.
- ^ Bellini, G .; и другие. (2 февраля 2012 г.). «Первые свидетельства активности солнечных нейтрино с помощью прямого обнаружения в Borexino». Письма с физическим обзором . 108 (5): 051302. arXiv : 1110.3230 . Bibcode : 2012PhRvL.108e1302B . DOI : 10.1103 / PhysRevLett.108.051302 . PMID 22400925 . S2CID 118444784 .
- ^ Международная конференция по нейтрино и темной материи, четверг, 7 сентября 2006 г., https://indico.lal.in2p3.fr/getFile.py/access?contribId=s16t1&sessionId=s16&resId=1&materialId=0&confId=a05162 Сессия 14.