Протон-протонная цепочка
Цепь протон-протон , также часто называемая p-p цепью , представляет собой один из двух известных наборов реакций ядерного синтеза , с помощью которых звезды преобразуют водород в гелий . Он доминирует у звезд с массами, меньшими или равными солнечной . [ 2 ] тогда как цикл CNO , другая известная реакция, согласно теоретическим моделям, доминирует в звездах с массами, превышающими примерно 1,3 массы Солнца . [ 3 ]
В общем, протон-протонный синтез может произойти только в том случае, если кинетическая энергия ( температура ) протонов достаточно высока, чтобы преодолеть их взаимное электростатическое отталкивание . [ 4 ]
На Солнце события образования дейтронов редки. Дипротоны являются гораздо более распространенным результатом 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 первоначально в ядре Солнца , по расчетам, займет более десяти миллиардов лет. [ 5 ]
Хотя ее иногда называют «цепной протон-протонной реакцией», это не цепная реакция в обычном смысле слова. В большинстве ядерных реакций цепная реакция обозначает реакцию, в результате которой образуется продукт, например нейтроны, выделяющиеся при делении , который быстро вызывает другую подобную реакцию. Цепочка протон-протон представляет собой, как и цепочка распада , серию реакций. Продукт одной реакции является исходным веществом следующей реакции. На Солнце есть две основные цепи, ведущие от водорода к гелию. В одной цепи пять реакций, в другой — шесть.
История теории
[ редактировать ]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 считалось, что температура Солнца слишком низка для преодоления кулоновского барьера . После развития квантовой механики было обнаружено, что туннелирование протонов волновых функций через отталкивающий барьер позволяет осуществить термоядерный синтез при более низкой температуре, чем классическое предсказание.
В 1939 году Ганс Бете предпринял попытку рассчитать скорости различных реакций в звездах. Начав с объединения двух протонов, образовавших ядро дейтерия и позитрон, он обнаружил то, что мы сейчас называем второй ветвью протон-протонной цепи. Но он не учел реакцию двоих 3
Ядра (ветвь I), которые, как мы теперь знаем, важны. [ 6 ] Это была часть работы по звездному нуклеосинтезу , за которую Бете получил Нобелевскую премию по физике в 1967 году.
Протон-протонная цепочка
[ редактировать ]Первым шагом во всех ответвлениях является слияние двух протонов в дейтрон . Когда протоны сливаются, один из них подвергается бета-распаду , превращаясь в нейтрон путем испускания позитрона и электронного нейтрино. [ 7 ] (хотя небольшое количество ядер дейтерия образуется в результате реакции «бодрости духа», см. Ниже):
Позитрон луча аннигилирует с электроном из окружающей среды на два гамма- . С учетом этой аннигиляции и энергии нейтрино результирующая реакция
(которая аналогична реакции PEP, см. ниже) имеет Q значение (выделенная энергия ) 1,442 МэВ : [ 7 ] Относительное количество энергии, передаваемой нейтрино и другим продуктам, варьируется.
Это реакция, лимитирующая скорость, и она протекает чрезвычайно медленно, поскольку инициируется слабым ядерным взаимодействием . Средний протон в ядре Солнца ждет 9 миллиардов лет, прежде чем успешно слиться с другим протоном . этой реакции не удалось, Экспериментально измерить сечение поскольку оно настолько мало. [ 8 ] но его можно вычислить теоретически. [ 1 ]
После образования дейтрон, образовавшийся на первой стадии, может слиться с другим протоном, стабильный легкий изотоп гелия образуя . 3
Он
:
Этот процесс, опосредованный сильным ядерным взаимодействием, а не слабым взаимодействием, происходит чрезвычайно быстро по сравнению с первым шагом. Подсчитано, что в условиях ядра Солнца каждое вновь созданное ядро дейтерия существует всего около одной секунды, прежде чем оно преобразуется в гелий-3. [ 1 ]
На Солнце каждое ядро гелия-3, образующееся в результате этих реакций, существует всего около 400 лет, прежде чем преобразуется в гелий-4. [ 9 ] После того, как гелий-3 был произведен, существует четыре возможных пути его получения. 4
Он
. В p – p I гелий-4 образуется путем слияния двух ядер гелия-3; ветви p –p II и p–p III сливаются 3
Он
с уже существующими 4
Он
с образованием бериллия -7, который подвергается дальнейшим реакциям с образованием двух ядер гелия-4.
Около 99% энергии Солнца поступает из различных цепей p–p , а другой 1% поступает из цикла CNO . Согласно одной из моделей Солнца, 83,3 процента 4
Он
произведенная различными отраслями p–p, производится через отрасль I, тогда 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, образуется на первом этапе (синтезе дейтрона), только около 8,35% нейтрино приходится на последующие этапы (см. ниже), а около 91,65% — на синтез дейтрона. Однако другая солнечная модель примерно того же времени дает только 7,14 процента нейтрино от более поздних этапов и 92,86 процента от синтеза ядер дейтерия. [ 10 ] Разница, по-видимому, связана с несколько иными предположениями о составе и металличности Солнца.
Существует также чрезвычайно редкая ветвь p – p IV . Могут возникнуть и другие, еще более редкие реакции. Скорость этих реакций очень мала из-за очень малых поперечных сечений или из-за того, что число реагирующих частиц настолько мало, что любые возможные реакции статистически незначимы.
Общая реакция такая:
- 4 1 ЧАС + + 2 и - → 4 Он 2+ + 2 н е
высвобождая 26,73 МэВ энергии, часть которой теряется нейтрино.
Филиал п–п I
[ редактировать ]Полная цепочка выделяет чистую энергию 26,732 МэВ. [ 11 ] но 2,2 процента этой энергии (0,59 МэВ) теряется из-за образующихся нейтрино. [ 12 ]
Ветвь p–p I преобладает при температурах от 10 до 18 МК . [ 13 ]
Ниже 10 МК цепь p–p протекает с медленной скоростью, что приводит к низкой продукции 4
Он
. [ 14 ]
Ветка п–п II
[ редактировать ]
3
2 Он
+ 4
2 Он
→ 7
4 Будь+
с
+ 1,59 МэВ 7
4 Будь
+
и −
→ 7
3 Ли+
н
и+ 0,861 МэВ / 0,383 МэВ 7
3 Ли
+ 1
1 час
→ 2 4
2 Он
+ 17,35 МэВ
Ветвь p–p II преобладает при температурах от 18 до 25 МК . [ 13 ]
Обратите внимание, что энергии во второй реакции выше — это энергии нейтрино, образующихся в результате реакции. 90 процентов нейтрино, образующихся в реакции 7
Быть
к 7
Что
несут энергию 0,861 МэВ , а остальные 10 процентов несут 0,383 МэВ . Разница заключается в том, находится ли образующийся литий-7 в основном состоянии или в возбужденном ( метастабильном ) состоянии соответственно. Полная энергия, выделяющаяся при переходе от 7
Быть стабильным 7
Li составляет около 0,862 МэВ, и почти вся эта энергия теряется нейтрино, если распад идет непосредственно на стабильный литий.
Ветка п–п III
[ редактировать ]
3
2 Он
+ 4
2 Он
→ 7
4 Будь
+
с
+ 1,59 МэВ 7
4 Будь
+ 1
1 час
→ 8
5 Б
+
с
8
5 Б
→ 8
4 Будь
+
и +
+
н
и8
4 Будь
→ 2 4
2 Он
Последние три стадии этой цепочки плюс аннигиляция позитрона дают в общей сложности 18,209 МэВ, хотя большая часть этой энергии теряется из-за нейтрино.
Цепочка p–p III является доминирующей, если температура превышает 25 МК . [ 13 ]
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 (до 14,06 МэВ ).
Ветвь p –p IV (Геп)
[ редактировать ]Эта реакция предсказана теоретически, но никогда не наблюдалась из-за своей редкости (около 0,3 ppm на Солнце). В этой реакции гелий-3 захватывает протон напрямую, образуя гелий-4 с еще более высокой возможной энергией нейтрино (до 18,8 МэВ). [ нужна ссылка ] ).
Соотношение масса-энергия дает 19,795 МэВ для энергии, выделяемой в результате этой реакции плюс последующая аннигиляция, часть которой теряется нейтрино.
Высвобождение энергии
[ редактировать ]Сравнение массы конечного атома гелия-4 с массами четырех протонов показывает, что 0,7 процента массы исходных протонов было потеряно. Эта масса была преобразована в энергию в виде кинетической энергии образующихся частиц, гамма-лучей и нейтрино, высвобождаемых во время каждой отдельной реакции. Полный энергетический выход одной целой цепочки составляет 26,73 МэВ .
Энергия, выделяемая в виде гамма-лучей, будет взаимодействовать с электронами и протонами и нагревать внутреннюю часть Солнца. Также кинетическая энергия продуктов синтеза (например, двух протонов и 4
2 Он
из реакции p – p I ) добавляет энергию плазме на Солнце. Этот нагрев сохраняет ядро Солнца горячим и предотвращает его разрушение под собственным весом, как если бы Солнце остыло.
Нейтрино существенно не взаимодействуют с материей и, следовательно, не нагревают внутреннюю часть и тем самым помогают поддерживать Солнце от гравитационного коллапса. Их энергия теряется: нейтрино в цепях p–p I , p–p II и p–p III уносят 2,0%, 4,0% и 28,3% энергии в этих реакциях соответственно. [ 15 ]
В следующей таблице подсчитано количество энергии, теряемой нейтрино, и количество « солнечной светимости », исходящей от трех ветвей. «Светимость» здесь означает количество энергии, выделяемой Солнцем в виде электромагнитного излучения , а не нейтрино. Используются исходные цифры, упомянутые выше в этой статье. Таблица касается только 99% мощности и нейтрино, поступающих в результате реакций p – p , а не 1%, поступающих из цикла CNO.
| Ветвь | Процент He-4 произведен |
Процент потерь из-за нейтрино производство |
Родственник количество потеря энергии |
Относительная сумма светимости произведено |
Процент общего количества яркость |
|---|---|---|---|---|---|
| Филиал I | 83.3% | 2% | 1.67% | 81.6% | 83.6% |
| Филиал II | 16.68% | 4% | 0.67% | 16.0% | 16.4% |
| Филиал III | 0.02% | 28.3% | 0.0057% | 0.014% | 0.015% |
| общий | 100% | 2.34% | 97.7% | 100% |
Реакция ПКП
[ редактировать ]
Дейтрон также может быть получен в результате редкой реакции pep (протон-электрон-протон) ( захвата электрона ):
На Солнце соотношение частот реакции pep и реакции p–p составляет 1:400. Однако нейтрино , выделяемые в результате реакции pep, гораздо более энергичны: в то время как нейтрино, образующиеся на первом этапе pp- реакции, имеют энергию до 0,42 МэВ , реакция pep дает нейтрино с острой линией энергии 1,44 МэВ . Об обнаружении солнечных нейтрино в результате этой реакции сообщила коллаборация Borexino в 2012 году. [ 16 ]
И реакцию pep, и p–p можно рассматривать как два разных фейнмановских представления одного и того же основного взаимодействия, где электрон переходит в правую часть реакции как позитрон. Это представлено на рисунке реакций протон-протона и электронного захвата в звезде, доступном на веб-сайте NDM'06. [ 17 ]
См. также
[ редактировать ]Ссылки
[ редактировать ]- ^ Jump up to: а б с д Адельбергер, Эрик Г.; и др. (12 апреля 2011 г.). «Сечения солнечного синтеза. II. Цепь pp и циклы CNO». Обзоры современной физики . 83 (1): 201. arXiv : 1004.2318 . Бибкод : 2011РвМП...83..195А . дои : 10.1103/RevModPhys.83.195 . S2CID 119117147 . См. рисунок 2. Подпись не очень ясна, но было подтверждено, что проценты относятся к тому, сколько происходит каждой реакции или, что то же самое, сколько гелия-4 производится каждой ветвью.
- ^ «Цепочка протон-протон» . Астрономия 162: Звезды, галактики и космология . Архивировано из оригинала 20 июня 2016 г. Проверено 30 июля 2018 г.
- ^ Саларис, Маурицио; Кассизи, Санти (2005). Эволюция звезд и звездного населения . Джон Уайли и сыновья . стр. 119–121. ISBN 0-470-09220-3 .
- ^ Ишфак Ахмад , Ядро , 1 : 42, 59, (1971), Реакция ядерного деления протонного типа.
- ^ Кеннет С. Крейн, Введение в ядерную физику , Wiley, 1987, с. 537.
- ^ Ганс Бете (1 марта 1939 г.). «Производство энергии в звездах» . Физический обзор . 55 (5): 434–456. Бибкод : 1939PhRv...55..434B . дои : 10.1103/PhysRev.55.434 .
- ^ Jump up to: а б Илиадис, Кристиан (2007). Ядерная физика звезд . Вайнхайм: Wiley-VCH. ISBN 9783527406029 . OCLC 85897502 .
- ^ Филлипс, Энтони К. (1999). Физика звезд (2-е изд.). Чичестер: Джон Уайли. ISBN 0471987972 . OCLC 40948449 .
- ^ Этот раз и два других раза выше взяты из: Бирн, Дж. Нейтроны, ядра и материя , Dover Publications, Минеола, Нью-Йорк, 2011, ISBN 0486482383 , стр. 8.
- ^ Альдо Серенелли; и др. (ноябрь 2009 г.). «Новый солнечный состав: новый взгляд на проблему солнечных моделей». Письма астрофизического журнала . 705 (2): Л123–Л127. arXiv : 0909.2668 . Бибкод : 2009ApJ...705L.123S . дои : 10.1088/0004-637X/705/2/L123 . S2CID 14323767 . Рассчитано на основе модели AGSS09 в Таблице 3.
- ^ Леблан, Фрэнсис. Введение в звездную астрофизику .
- ^ Бербидж, Э.; Бербидж, Г.; Фаулер, Уильям; Хойл, Ф. (1 октября 1957 г.). «Синтез элементов в звездах» (PDF) . Обзоры современной физики . 29 (4): 547–650. Бибкод : 1957РвМП...29..547Б . дои : 10.1103/RevModPhys.29.547 .
- ^ Jump up to: а б с Илиадис, Кристиан (2015). Ядерная физика звезд (Второе, переработанное и дополненное изд.). Вайнхайм, Германия. ISBN 978-3-527-33649-4 . ОСЛК 908071061 .
{{cite book}}: CS1 maint: отсутствует местоположение издателя ( ссылка ) - ^ Адельбергер, Э.Г.; и др. (2010). «Сечения солнечного синтеза. II. Циклы Theppchain и CNO». Обзоры современной физики . 83 : 195–245. arXiv : 1004.2318 . дои : 10.1103/RevModPhys.83.195 . S2CID 119117147 .
- ^ Клаус Э. Рольфс и Уильям С. Родни, Котлы в космосе , Издательство Чикагского университета, 1988, стр. 354.
- ^ Беллини, Дж.; и др. (2 февраля 2012 г.). «Первое свидетельство существования солнечных нейтрино путем прямого обнаружения в Борексино». Письма о физических отзывах . 108 (5): 051302. arXiv : 1110.3230 . Бибкод : 2012PhRvL.108e1302B . doi : 10.1103/PhysRevLett.108.051302 . ПМИД 22400925 . S2CID 118444784 .
- ^ Международная конференция по нейтрино и темной материи, 7 сентября 2006 г., сессия 14 .
Внешние ссылки
[ редактировать ]
СМИ, связанные с протон-протонной цепной реакцией, на Викискладе?
