Astronet > Uglerodnyi cikl

po tekstam po klyuchevym slovam v glossarii po saitam perevod po katalogu

Uglerodnyi cikl

- posledovatel'nost' termoyadernyh reakcii v zvezdah, privodyashaya k obrazovaniyu geliya iz vodoroda s uchastiem ugleroda, azota, kisloroda i ftora v kachestve katalizatorov. U.c. - osn. istochnik energii massivnyh zvezd ( ${\mathfrak M}\ge 1,2 {\mathfrak M}_\odot$ ) na nachal'nyh stadiyah ih sushestvovaniya (sm. Evolyuciya zvezd). Vblizi centra takih zvezd temp-ra dostatochno vysoka dlya togo, chtoby U.c. byl effektivnee vodorodnogo cikla. Reakcii U.c. obrazuyut chetyre perepletayushihsya cikla (I-IV), napravleniya obhoda k-ryh na ris. ukazany izognutymi strelkami. V sokrashennoi zapisi (sm. Yadernye reakcii) eti cikly vyglyadyat sled. obr.:
I. ¹²C(p, $\gamma$ )¹³N(e⁺ $\nu$ )¹³C(p, $\gamma$ )¹⁴N(p, $\gamma$ )¹⁵O(e⁺ $\nu$ )¹⁵N(p, $\alpha$ )¹²C
II. ¹⁴N(p, $\gamma$ )¹⁵O(e⁺ $\nu$ )¹⁵N(p, $\gamma$ )¹⁶O(p, $\gamma$ )¹⁷F(e⁺ $\nu$ )¹⁷O(p, $\alpha$ )¹⁴N
III. ¹⁵N(p, $\gamma$ )¹⁶O(p, $\gamma$ )¹⁷F(e⁺ $\nu$ )¹⁷O(p, $\gamma$ )¹⁸F(e⁺ $\nu$ )¹⁸O(p, $\alpha$ )¹⁵N
IV. ¹⁶O(p, $\gamma$ )¹⁷F(e⁺ $\nu$ )¹⁷O(p, $\gamma$ )¹⁸F(e⁺ $\nu$ )¹⁸O(p, $\gamma$ )¹⁹F(p, $\alpha$ )¹⁶O
Skorost' prevrasheniya vodoroda v gelii i proporcional'naya ei moshnost' vydeleniya energii opredelyayutsya v osnovnom ciklom I: yadro ¹²C zahvatyvaet proton (p) i posle ispuskaniya $\gamma$ -fotona perehodit v neustoichivoe yadro ¹³N, raspadayusheesya s ispuskaniem pozitrona (e⁺) i neitrino ( $\nu$ ) i obrazovaniem yadra ¹³C; zatem posle dvuh posledovatel'nyh radiac. zahvatov protonov i raspada neustoichivogo yadra ¹⁵O obrazuetsya yadro ¹⁵N.

Eto yadro primechatel'no tem, chto dlya nego reakciya (p, $\alpha$ ) (zahvat protona s vybrosom $\alpha$ -chasticy) protekaet s vydeleniem energii, t.e. yavl. besporogovoi i poetomu effektivnoi pri harakternyh dlya zvezdnogo veshestva nizkih energiyah chastic (dlya analogichnyh reakcii s uchastiem dr. izotopov iz cikla I potrebovalis' by protony s energiyami nesk. MeV, k-rye otsutstvuyut v zvezdnom veshestve). Reakciya ¹⁵N(p, $\alpha$ )¹²C zamykaet cikl I. V itoge chetyre protona prevrashayutsya v $\alpha$ -chasticu - yadro ⁴He. K takomu zhe rezul'tatu privodyat i cikly II-IV.

Vzaimodeistvie protona s yadrom ¹⁵N inogda zakanchivaetsya obrazovaniem yadra ¹⁶O [primernona 1000 reakcii (p, $\alpha$ ) prihoditsya odin radiac. zahvat protona], chto privodit k dvum dopolnitel'nym ciklam, II i III. Eti cikly protekayut pribl. v odinakovom tempe, t.k.. sravnimy skorosti reakcii ¹⁷O(p, $\alpha$ )¹⁴N i ¹⁷O(p, $\gamma$ )¹⁸F , ot k-ryh zavisit ih otnositel'naya chastota. Cikl IV okazyvaetsya eshe bolee redkim vsledstvie togo, chto skorost' reakcii ¹⁸O(p, $\gamma$ )¹⁹F po krainei mere na tri poryadka men'she skorosti reakcii ¹⁸O(p, $\alpha$ )¹⁵N. V ustanovivshemsya U.c. na kazhduyu realizaciyu cikla IV prihoditsya bolee 1000 ciklov II i III i bolee 10⁶ ciklov I. Hotya cikly II-IV igrayut vtorostepennuyu rol' v skorosti vydeleniya energii, oni opredelyayut koncentracii izotopov ¹⁷O i ¹⁸O, k-rye na bolee pozdnih stadiyah evolyucii zvezdy mogut vstupat' v termoyadernye reakcii s vydeleniem neitronov, imeyushih sushestvennoe znachenie dlya teorii nukleosinteza. Cikl IV mozhet byt' vazhen dlya ob'yasneniya proishozhdeniya ¹⁹F.

V U.c. uchastvuyut vse stabil'nye izotopy C, N, O i F, a takzhe nesk. nestabil'nyh izotopov etih elementov (na sheme oni otmecheny shtrihovkoi). Poetomu v sovr. astrofizich. literature U.c. chasto naz. CNO-ciklom (izotopy F imeyut ochen' malye koncentracii, i ih vklad v obshee chislo izotopov U.c. mal). Cherez nek-roe vremya posle nachala evolyucii massivnoi zvezdy U.c. prihodit v ravnovesnoe sostoyanie kogda koncentracii vseh ukazannyh na sheme izotopov prinimayut prakticheski ne zavisyashie ot vremeni znacheniya. Pri etom polnoe chislo vseh izotopov C, N, O i F ostaetsya ravnym ih nachal'nomu chislu. Kakovo by ni bylo nachal'noe raspredelenie izotopov etih elementov, U.c. vyvyrabatyvaet vpolne opredelennye (zavisyashie ot temp-ry v nedrah zvezdy) koncentracii izotopov. T.o., izotopy C, N, O i F ne yavl. v s trogom smysle katalizatorami - ih otnosheniya, voobshe govorya, izmenyayutsya v processe ustanovleniya U.c., ne izmenyaetsya lish' ih polnoe chislo [utechkoi etih izotopov cherez reakciyu ¹⁹F(p, $\gamma$ )²⁰Ne obychno mozhno prenebrech'].

V tablice privedeny parametry reakcii osn. cikla I: Q - polnoe energovydelenie v reakcii, $\tau$ - harakternoe vremya protekaniya reakcii (vremya, za k-roe koncentraciya vstupayushego v reakciyu izotopa C, N ili O umen'shilas' by v e raz, esli etot izotop ne vospolnyalsya by za schet dr. reakcii), srednyaya $\bar{E_\nu}$ i maksimal'naya $E_{\nu,\mbox{maks}}$ energii ispuskaemyh neitrino. V poslednem stolbce privedeny takzhe ravnovesnye koncentracii izotopov U.c., rasschitannye s uchetom vseh chetyreh ciklov I-IV. Znacheniya $\tau$ i koncentracii vychisleny dlya temp-ry $3\cdot 10^7$ K, plotnosti 10 g/sm³ i koncentracii vodoroda po masse X=0,5, chto sootvetstvuet fiz. usloviyam v centre tipichnoi zvezdy spektral'nogo klassa B (s massoi 10 ${\mathfrak M}_\odot$ ) na glavnoi posledovatel'nosti. Koncentracii oboznacheny simvolami samih izotopov, zaklyuchennymi v kvadratnye skobki, i opredeleny kak otnosheniya chisla chastic dannogo izotopa k polnomu chislu chastic elementov C, N, O, F v ed. ob'ema.

Naibolee medlennoi v cikle I okazyvaetsya reakciya ¹⁴N(p, $\gamma$ )¹⁵O, poetomu imenno ona opredelyaet skorost' pererabotki vodoroda v gelii i intensivnosti energovydeleniya v U.c. V poslednei stroketablicy priveden itog U.c. : kazhdyi iz ciklov I-IV privodit k ob'edineniyu chetyreh protonov v yadro ⁴He, pri etom vydelyaetsya energiya 26,73 MeV (takaya zhe, kak i v vodorodnom cikle), iz k-roi ok. 1,7 MeV (neskol'ko bol'she, chem v vodorodnom cikle) unosyat neitrino. Harakternoe vremya termoyadernogo sgoraniya vodoroda v centre zvezdy massoi 10 ${\mathfrak M}_\odot$ sostavlyaet ok. 2 mln. let, odnako vremya prebyvaniya etoi zvezdy na glavnoi posledovatel'nosti primerno v 10 raz bol'she, chto svyazano s sushestvovaniem u zvezdy konvektivnogo yadra, znachitel'no prevyshayushego po masse tu oblast' vblizi centra zvezdy, gde protekayut termoyadernye reakcii. Zvezda ne uhodit s glavnoi posledovatel'nosti do teh por, poka ne ischerpaetsya ves' vodorod v konvektivnom yadre.

Dlya yadernoi astrofiziki naibolee vazhny takie posledstviya U.c., kak prevrashenie pochti vseh (ok. 94%) ishodnyh izotopov C, N, O i F v ¹⁴N, a takzhe obrazovanie izotopov ¹³C i ¹⁷O - potencial'nyh istochnikov neitronov.

Reakciya Q, MeV $\tau$ , let $E_\nu$ , MeV. Ravnovesnaya koncentraciya izotopov C, N, O, F

¹²C(p, $\gamma$ )¹³N 1,94 360 [¹²C]=1,3 $\cdot 10^{-2}$ , [¹³N]=10^-9

¹³N(e⁺ $\nu$ )¹³C 2,22 2,7 $\cdot 10^{-5}$ $\bar{E_\nu}$ =0,71, $E_{\nu,\mbox{maks}}$ =1,2

¹³C(p, $\gamma$ )¹⁴N 7,55 100 [¹²C/¹³C]=3,5, [¹³C]=3,7 $\cdot 10^{-3}$

¹⁴N(p, $\gamma$ )¹⁵O 7,29 2,5 $\cdot 10^4$ [¹⁴N]=0,935, [¹⁵O]=2 $\cdot 10^{-10}$

¹⁵O(e⁺ $\nu$ )¹⁵N 2,76 5,6 $\cdot 10^{-6}$ $\bar{E_\nu}$ =1, $E_{\nu,\mbox{maks}}$ =1,74

¹⁵N(p, $\alpha$ )¹²C 4,97 0,93 [¹⁵N]=3,5 $\cdot 10^{-5}$

4¹H $\to$ ⁴He+2 $\nu$ 26,73 2,2 $\cdot 10^6$ $E_\nu$ =1,7, [¹⁶O]=2,9 $\cdot 10^{-2}$ , [¹⁷O]=1,9 $\cdot 10^{-2}$ ,
[¹⁷F]=9 $\cdot 10^{-14}$ , [¹⁸F]=7 $\cdot 10^{-12}$ ,
[¹⁸O]=10^-5-10^-8*, [¹⁹F]=10^-6-10^-9*

* Razbros koncentracii ¹⁸O i ¹⁹F svyazan s neopredelennost'yu skorosti reakcii ¹⁸O(p, $\alpha$ )¹⁵N

Posredstvom U.c. vodorod prevrashaetsya v gelii ne tol'ko v nedrah massivnyh zvezd, no i na poverhnosti zvezd, gde mogut proishodit' vspyshki termoyadernogo goreniya (sm. Barstery). V etih usloviyah U.c. sushestvenno izmenyaet svoi vid. Svyazanye so vspyshkami vysokie temp-ry ( $T \ge 10^8$ K) privodyat k tomu, chto uchastvuyushie v U.c. radioaktivnye yadra, ne uspev raspast'sya, nachinayut reagirovat' s prtonami. V rezul'tate set' reakcii U.c. znachitel'no uslozhnyaetsya i menyaetsya harakter prevrasheniya izotopov C, N, O i F (napr., koncentraciya yader ¹⁴N mozhet byt' uzhe ne ochen' bol'shoi). Takoi U.c. naz. goryachim. Vsledstvie bystrogo izmeneniya fiz. uslovii v processe zvezdnyh vspyshek ravnovesnye koncentracii izotopov, voobshe govorya, ne uspevayut ustanavlivat'sya. Poetomu pri issledovaniyah zvezdnyh vspyshek prihoditsya privodit' trudoemkie raschety, uchityvayushie kinetiku yadernyh prevrashenii v slozhnoi seti reakcii goryachego U.c.

(D.K. Nadezhin)

D. K. Nadezhin, "Fizika Kosmosa", 1986
Glossarii Astronet.ru

L | R | A | B | V | G | D | E | Zh | Z | I | ' | K | L | M | N | O | P | R | S | T | U | F | H | C | Ch | Sh | Sh | E | Yu | Ya

Obsudit' etu publikaciyu

Versiya dlya pechati

Reakciya	Q, MeV	$\tau$ , let	$E_\nu$ , MeV. Ravnovesnaya koncentraciya izotopov C, N, O, F
¹²C(p, $\gamma$ )¹³N	1,94	360	[¹²C]=1,3 $\cdot 10^{-2}$ , [¹³N]=10^-9
¹³N(e⁺ $\nu$ )¹³C	2,22	2,7 $\cdot 10^{-5}$	$\bar{E_\nu}$ =0,71, $E_{\nu,\mbox{maks}}$ =1,2
¹³C(p, $\gamma$ )¹⁴N	7,55	100	[¹²C/¹³C]=3,5, [¹³C]=3,7 $\cdot 10^{-3}$
¹⁴N(p, $\gamma$ )¹⁵O	7,29	2,5 $\cdot 10^4$	[¹⁴N]=0,935, [¹⁵O]=2 $\cdot 10^{-10}$
¹⁵O(e⁺ $\nu$ )¹⁵N	2,76	5,6 $\cdot 10^{-6}$	$\bar{E_\nu}$ =1, $E_{\nu,\mbox{maks}}$ =1,74
¹⁵N(p, $\alpha$ )¹²C	4,97	0,93	[¹⁵N]=3,5 $\cdot 10^{-5}$
4¹H $\to$ ⁴He+2 $\nu$	26,73	2,2 $\cdot 10^6$	$E_\nu$ =1,7, [¹⁶O]=2,9 $\cdot 10^{-2}$ , [¹⁷O]=1,9 $\cdot 10^{-2}$ , [¹⁷F]=9 $\cdot 10^{-14}$ , [¹⁸F]=7 $\cdot 10^{-12}$ , [¹⁸O]=10^-5-10^-8, [¹⁹F]=10^-6-10^-9