Цепь протон-протон , также часто называемая цепью p-p , представляет собой один из двух известных наборов реакций ядерного синтеза , с помощью которых звезды преобразуют водород в гелий . Он доминирует в звездах с массами, меньшими или равными массе Солнца , [ 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.
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 волновых функций протонов через отталкивающий барьер позволяет осуществлять 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 двоих3
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.
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 аннигилирует с электроном из окружающей среды на два гамма - луча . С учетом этой аннигиляции и энергии нейтрино результирующая реакция
(которая аналогична реакции PEP, см. ниже) имеет значение Q (высвобожденная энергия ) 1,442 МэВ : [7] Относительное количество энергии, поступающей к нейтрино и другим продуктам, является переменным.
Это реакция, ограничивающая 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 . Экспериментально измерить сечение этой реакции не удалось из-за его малости [8], но его можно рассчитать теоретически. [1]
После образования дейтрон, образовавшийся на первой стадии, может слиться с другим протоном, образуя стабильный легкий изотоп гелия .3Он:
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.4Он. В p – p I гелий-4 образуется путем слияния двух ядер гелия-3; ветви p –p II и p–p III сливаются3
Он
с уже существующими4
Он
с образованием бериллия -7, который подвергается дальнейшим реакциям с образованием двух ядер гелия-4.
Около 99% вырабатываемой Солнцем энергии поступает из различных цепей p–p , а другой 1% поступает из цикла CNO . Согласно одной из моделей Солнца, 83,3 процента4Онпроизведенная 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, производится на первом этапе (синтезе дейтрона), только около 8,35 процента нейтрино поступает на более поздних этапах (см. ниже), а около 91,65 процента приходится 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 разными 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:
высвобождая 26,73 МэВ энергии, часть которой теряется нейтрино.
Полная цепочка высвобождает чистую энергию26,732 МэВ [11] , но 2,2 процента этой энергии (0,59 МэВ) теряется из-за образующихся нейтрино. [12]
p –p I ветвь преобладает при температурах от 10 до18 МК . [13]
Ниже10 MK цепочка p–p протекает с медленной скоростью, что приводит к низкой продукции4
Он
. [14]
Ветвь p–p II преобладает при температурах от 18 до25 МК . [13]
Обратите внимание, что энергии во второй реакции выше — это энергии нейтрино, образующихся в результате реакции. 90 процентов нейтрино, образующихся в реакции7
Быть
к7
Ли
нести энергию0,861 МэВ , а остальные 10 процентов несут0,383 МэВ . Разница заключается в том, находится ли образующийся литий-7 в основном состоянии или в возбужденном ( метастабильном ) состоянии соответственно. Полная энергия, выделяющаяся при переходе от7
Быть стабильным7
Li составляет около 0,862 МэВ, и почти вся эта энергия теряется нейтрино, если распад идет непосредственно на стабильный литий.
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 превышает25 МК . [13]
Цепочка p–p III не является основным источником энергии на Солнце, но она сыграла очень важную роль в проблеме солнечных нейтрино, поскольку генерирует нейтрино очень высоких энергий (вплоть до14,06 МэВ ).
Эта реакция предсказана теоретически, но никогда не наблюдалась из-за своей редкости (около0,3 ppm на Солнце). В этой реакции гелий-3 захватывает протон непосредственно, образуя гелий-4 с еще более высокой возможной энергией нейтрино (вплоть до18,8 МэВ [ нужна ссылка ] ).
Соотношение массы и энергии дает19,795 МэВ для энергии, выделяемой в результате этой реакции плюс последующая аннигиляция, часть которой теряется нейтрино.
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 цепи равен26,73 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 и4
2Он
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.
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 , выделяющиеся в результате реакции pep, гораздо более энергичны: тогда как нейтрино, образующиеся на первой стадии p–p- реакции, имеют энергию до0,42 МэВ , в результате реакции пеп образуются нейтрино с острыми энергетическими линиями1,44 МэВ . Об обнаружении солнечных нейтрино в результате этой реакции коллаборация Borexino сообщила в 2012 г. [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]
{{cite book}}: CS1 maint: отсутствует местоположение издателя ( ссылка )
СМИ, связанные с протон-протонной цепной реакцией, на Викискладе?
