Cykl protonowy

Cykl protonowy ppI

Schemat cyklu protonowego

Cykl protonowy (cykl proton-proton, łańcuch pp) – cykl reakcji jądrowych, w których z czterech jąder wodoru powstaje stabilne jądro helu. Ponadto podczas przemian uwalniana jest energia jądrowa, która jest głównym źródłem energii Słońca i innych niezbyt masywnych gwiazd. Cykl pp zachodzi w jądrach gwiazd o temperaturze od kilku do kilkunastu milionów kelwinów. Został zaproponowany przez Hansa Bethe i Charlesa Critchfielda.

Cykl rozpoczyna fuzja dwóch protonów, która jest możliwa, gdy mają one dostatecznie dużą energię, by pokonać barierę kulombowską. Zbliżenie protonów jest możliwe także dzięki znanemu z mechaniki kwantowej efektowi tunelowemu, którego prawdopodobieństwo zajścia zależy od energii kinetycznej protonów i rośnie wraz z nią. Tempo przebiegu tej reakcji w temperaturze Słońca jest rzędu 10⁹ lat. Z powodu powolności tej reakcji Słońce nadal świeci - w przeciwnym wypadku reakcje przebiegałyby na tyle szybko, że wodór zostałby w gwieździe wyczerpany.

Do wytworzenia jąder helu z czterech jąder wodoru może dojść w wyniku różnych reakcji jądrowych. Stosuje się podział na trzy zazębiające się cykle: ppI, ppII i ppIII.

Cykl ppI

Pierwsze zachodzące reakcje składają się na tzw. cykl ppI. W wyniku fuzji dwóch jąder wodoru ¹H (dwóch protonów) powstaje jądro deuteru ²D, pozyton i neutrino elektronowe.

${}^1\hbox{H}\;+{}^1\hbox{H}\to {}^2\hbox{D}+e^{+}+{\nu}_e+1,44\;\text{MeV}$

Pozyton natychmiast anihiluje z elektronem i zostają wypromieniowane dwa kwanty promieniowania gamma. Następnie jądro deuteru ²D łączy się z jądrem wodoru ¹H tworząc jądro helu ³He. Dodatkowo zostaje wypromieniowany kwant promieniowania gamma.

${}^2\hbox{D}\;+{}^1\hbox{H}\to {}^3\hbox{He}+\gamma+5,49\;\text{MeV}$

Cykl ppI kończy reakcja fuzji dwóch jąder helu ³He w efekcie której powstają jądro helu ⁴He i dwa jądra wodoru ¹H, Zachodzi on głównie w przedziale temperatur 10⁷<T<1,4$\cdot$10⁷ K. W temperaturze T<10⁷ K produkowane jest niewiele jąder helu.

${}^3\hbox{He}\;+{}^3\hbox{He}\to {}^4\hbox{He}+{}^1\hbox{H}\;+{}^1\hbox{H}+12,85\;\text{MeV}$

Cykl ppII

W przedziale temperatur 1,4$\cdot$10⁷<T<2,3$\cdot$10⁷ K dominuje cykl ppII. Po dwóch pierwszych reakcjach cyklu ppI dochodzi do syntezy helu ³He z helem ⁴He. Wytworzone zostaje jądro berylu ⁷Be i kwant promieniowania gamma.

${}^3\hbox{He}\;+{}^4\hbox{He}\to {}^7\hbox{Be}+\gamma+1,586\;\text{MeV}$

Nietrwałe jądro berylu ⁷Be szybko wychwytuje elektron i tworzy się jądro litu ⁷Li i neutrino elektronowe.

${}^7\hbox{Be}\;+e\to {}^7\hbox{Li}+{\nu}_e+\gamma+0,861\;\text{MeV}$

Następnie w wyniku reakcji litu ⁷Li i jądra wodoru ¹H powstają dwa jądra helu ⁴He.

${}^7\hbox{Li}\;+{}^1\hbox{H}\to {}^4\hbox{He}+{}^4\hbox{He}+17,347\;\text{MeV}$

Cykl ppIII

W temperaturze T>2,3$\cdot$10⁷ K, po pierwszej reakcji cyklu ppII może zamiast reakcji wychwytu elektronu przez jądro berylu zajść fuzja wodoru i berylu w wyniku której powstaje jądro boru ⁸B i kwant promieniowania gamma.

${}^{7}\hbox{Be}\;+{}^1\hbox{H}\to\;^{8}_{5}\hbox{B}\;+\gamma+0,135\;\text{MeV}$

Jądro boru ⁸B szybko wychwytuje elektron i rozpada się na jądro berylu ⁸Be, pozyton i neutrino elektronowe. Wzbudzone jądro berylu ⁸Be rozpada się na dwa jądra helu ⁴He emitując energię 18,072 MeV.

${}^{8}\hbox{B}\;\to\;^{8}\hbox{Be}\;+\;{e^+}+\;\nu_e+17,98\;\text{MeV}$

${}^{8}\hbox{Be}\;\to\;{}^4\hbox{He}+{}^4\hbox{He}+0,092\;\text{MeV}$

Cykl ppIII nie jest istotnym źródłem energii w Słońcu, ale generuje on wysokoenergetyczne neutrina (do 14.06 MeV), z którymi związany był problem neutrin słonecznych.

Energia

W wyniku każdego z cyklów ppI, ppII, ppIII z czterech jąder wodoru powstaje jedno jądro helu i dwa neutrina. Energia uwalniana w tych reakcjach wynosi 26,74 MeV, ale neutrina unoszą jej część. W cyklu ppI neutrina unoszą 1,9%, w cyklu ppII 3,9% i w cyklu ppIII - 27,3% energii całkowitej.

Bibliografia

• M. Kubiak Gwiazdy i materia międzygwiazdowa, Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa 1994 r.
• E. Böhm-Vitense Stellar astrophysics: stellar structure and evolution, Cambridge University Press, 1992

Zobacz też

• cykl węglowo-azotowo-tlenowy
• Proces 3-α