วงจร CNO

CNO วงจร (สำหรับคาร์บอน - ไนโตรเจน - ออกซิเจนบางครั้งเรียกว่ากาลาซี-Weizsäckerรอบหลังจากที่ฮันส์อัลเบรทกาลาซีและคาร์ลฟรีดริชฟอนWeizsäcker ) เป็นหนึ่งในสองชุดที่รู้จักกันของฟิวชั่น ปฏิกิริยาโดยที่ดาวแปลงไฮโดรเจนเพื่อฮีเลียมที่อื่น ๆ ที่เป็นโปรตอน –proton chain reaction (pp cycle) ซึ่งมีประสิทธิภาพสูงกว่าที่อุณหภูมิแกนกลางของดวงอาทิตย์ วงจร CNO คือการตั้งสมมติฐานที่จะโดดเด่นในดาวที่มีมากกว่า 1.3 เท่าเป็นใหญ่เป็นดวงอาทิตย์[1]

ลอการิทึมของเอาท์พุทพลังงานสัมพัทธ์ (ε) ของ โปรตอน - โปรตอน (pp), CNO และ กระบวนการฟิวชันสามเท่า - αที่อุณหภูมิต่างกัน (T) เส้นประแสดงการสร้างพลังงานร่วมกันของกระบวนการ pp และ CNO ภายในดาว

ซึ่งแตกต่างจากปฏิกิริยาโปรตอนโปรตอนที่กินคนละทุกวงจร CNO เป็นรอบตัวเร่งปฏิกิริยา ในวงจร CNO จะมีการหลอมรวมโปรตอนสี่ตัวโดยใช้ไอโซโทปของคาร์บอนไนโตรเจนและออกซิเจนเป็นตัวเร่งปฏิกิริยาซึ่งแต่ละตัวจะถูกใช้ในขั้นตอนเดียวของวงจร CNO แต่จะถูกสร้างขึ้นใหม่ในขั้นตอนต่อไป ผลิตภัณฑ์สุดท้ายคืออนุภาคแอลฟาหนึ่งอนุภาค ( นิวเคลียสของฮีเลียมที่เสถียร) โพสิตรอนสองโพสิตรอนและนิวตริโนอิเล็กตรอนสองตัว

มีเส้นทางและตัวเร่งปฏิกิริยาทางเลือกต่าง ๆ ที่เกี่ยวข้องในวงจร CNO วงจรทั้งหมดเหล่านี้มีผลลัพธ์สุทธิเหมือนกัน:

4 1
1

  + 2
-
  →   4
2
เขา
  + 2
+
  + 2
-
  + 2
ν
  + 3
γ
  + 24.7 MeV
  →   4
2
เขา
  + 2
ν
  + 7
γ
  + 26.7 MeV

โพสิตรอนเกือบจะทันทีจะทำลายที่มีอิเล็กตรอนปล่อยพลังงานในรูปของรังสีแกมมา นิวตริโนที่หลบหนีออกจากดาวซึ่งถือเอาพลังงานบางอย่างออกไป [2]นิวเคลียสหนึ่งจะกลายเป็นไอโซโทปของคาร์บอนไนโตรเจนและออกซิเจนผ่านการเปลี่ยนแปลงจำนวนมากในวงรอบที่ไม่มีที่สิ้นสุด

ภาพรวมของวงจร CNO-I

ห่วงโซ่โปรตอน - โปรตอนมีความโดดเด่นกว่าในดาวฤกษ์ที่มีมวลดวงอาทิตย์มากหรือน้อยกว่า ความแตกต่างนี้เกิดจากความแตกต่างของการพึ่งพาอุณหภูมิระหว่างสองปฏิกิริยา ปฏิกิริยา pp-chain เริ่มต้นที่อุณหภูมิประมาณ4 × 10 6  K [3] (4 megakelvin) ทำให้เป็นแหล่งพลังงานที่โดดเด่นในดาวฤกษ์ขนาดเล็ก ห่วงโซ่ CNO ที่ดูแลตัวเองได้เริ่มต้นที่เวลาประมาณ15 × 10 6  Kแต่เอาท์พุทพลังงานของมันเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วมากขึ้นตามอุณหภูมิที่เพิ่มขึ้น[1]จนกลายเป็นแหล่งพลังงานหลักที่เวลาประมาณ17 × 10 6  เค . [4]

ดวงอาทิตย์มีอุณหภูมิแกนกลางประมาณ15.7 × 10 6  Kและเท่านั้น1.7%ของ4
เขา
นิวเคลียสที่ผลิตในดวงอาทิตย์เกิดในวงจร CNO

กระบวนการCNO-Iได้รับการเสนอโดยCarl von Weizsäcker [5] [6]และHans Bethe [7] [8]ในช่วงปลายทศวรรษที่ 1930

รายงานแรกเกี่ยวกับการตรวจหานิวตริโนที่ผลิตโดยวงจร CNO ในดวงอาทิตย์ได้รับการตีพิมพ์ในปี 2020 นี่เป็นการยืนยันการทดลองครั้งแรกว่าดวงอาทิตย์มีวงจร CNO ขนาดที่เสนอของวัฏจักรนั้นแม่นยำและ ฟอนWeizsäckerและ Bethe ถูกต้อง [2] [9] [10]

วัฏจักรคาร์บอน - ไนโตรเจน - ออกซิเจน -1

ภายใต้เงื่อนไขปกติที่พบในดาวไฮโดรเจนเร่งปฏิกิริยาการเผาไหม้โดยรอบ CNO จะถูก จำกัด โดยจับโปรตอน โดยเฉพาะอย่างยิ่งไทม์สเกลสำหรับการสลายตัวของเบต้าของนิวเคลียสกัมมันตภาพรังสีที่เกิดขึ้นนั้นเร็วกว่าสเกลเวลาสำหรับฟิวชัน เนื่องจากช่วงเวลาที่ยาวนานเกี่ยวข้องวงจร CNO ที่เย็นจึงเปลี่ยนไฮโดรเจนเป็นฮีเลียมอย่างช้าๆทำให้พวกมันสามารถขับเคลื่อนดวงดาวในสภาวะสมดุลที่หยุดนิ่งเป็นเวลาหลายปี

CNO-I

วัฏจักรตัวเร่งปฏิกิริยาที่เสนอครั้งแรกสำหรับการเปลี่ยนไฮโดรเจนเป็นฮีเลียมในตอนแรกเรียกว่าวัฏจักรคาร์บอน - ไนโตรเจน (CN-cycle) หรือที่เรียกว่าวัฏจักร Bethe – Weizsäckerเพื่อเป็นเกียรติแก่งานอิสระของCarl Friedrich von Weizsäckerในปี 1937-38 [5] [6]และHans Bethe เอกสารของ Bethe ในปี 1939 เกี่ยวกับ CN-cycle [7] [8]เขียนขึ้นจากเอกสารก่อนหน้านี้สามฉบับที่เขียนร่วมกับRobert BacherและMilton Stanley Livingston [11] [12] [13]และซึ่งเป็นที่รู้จักอย่างไม่เป็นทางการในชื่อ"Bethe's Bible" . มันได้รับการพิจารณามาตรฐานการทำงานในฟิสิกส์นิวเคลียร์มานานหลายปีและเป็นปัจจัยสำคัญในการเป็นอยู่ของเขาได้รับรางวัลโนเบล 1967 ในสาขาฟิสิกส์ [14]การคำนวณดั้งเดิมของ Bethe ชี้ให้เห็นว่าวงจร CN เป็นแหล่งพลังงานหลักของดวงอาทิตย์ [7] [8]ข้อสรุปนี้เกิดจากความเชื่อที่ตอนนี้รู้กันผิด ๆ ว่าปริมาณไนโตรเจนในดวงอาทิตย์มีอยู่ประมาณ 10%; จริงๆแล้วมันไม่ถึงครึ่งเปอร์เซ็นต์ [15]วงจร CN ซึ่งได้รับการตั้งชื่อตามว่าไม่มีไอโซโทปที่เสถียรของออกซิเจนเกี่ยวข้องกับวัฏจักรของการเปลี่ยนแปลงต่อไปนี้: [15]

12
6

  →   13
7

  →   13
6

  →   14
7

  →   15
8
โอ
  →   15
7

  →   12
6

ตอนนี้เข้าใจว่าวัฏจักรนี้เป็นส่วนแรกของกระบวนการที่ใหญ่ขึ้นวงจร CNO และปฏิกิริยาหลักในส่วนนี้ของวัฏจักร (CNO-I) คือ: [15]

12
6

 
1
1

 
→ 13
7

 

γ
 
  1.95  MeV
13
7

 
  → 13
6

 

+
 

ν
 
1.20 MeV( ครึ่งชีวิต 9.965 นาที[16] )
13
6

 
1
1

 
→ 14
7

 

γ
 
  7.54 MeV
14
7

 
1
1

 
→ 15
8
โอ
 

γ
 
  7.35 MeV
15
8
โอ
 
  → 15
7

 

+
 

ν
 
1.73 MeV(ครึ่งชีวิต 2.034 นาที[16] )
15
7

 
1
1

 
→ 12
6

 
4
2
เขา
 
  4.96 MeV

โดยที่นิวเคลียสของคาร์บอน -12 ที่ใช้ในปฏิกิริยาแรกจะถูกสร้างใหม่ในปฏิกิริยาสุดท้าย หลังจากที่โพซิตรอน ทั้งสองปล่อยออกมาทำลายล้างด้วยอิเล็กตรอนรอบข้างสองตัวทำให้เกิด 2.04 MeV เพิ่มเติมพลังงานทั้งหมดที่ปล่อยออกมาในหนึ่งรอบคือ 26.73 MeV; ในบางตำราผู้เขียนใช้พลังงานทำลายล้างโพซิตรอนในค่า Q-value ที่สลายตัว ด้วยเบต้าอย่างไม่ถูกต้องแล้วละเลยปริมาณพลังงานที่เท่ากันที่ปล่อยออกมาจากการทำลายล้างซึ่งนำไปสู่ความสับสนที่อาจเกิดขึ้นได้ ค่าทั้งหมดคำนวณโดยอ้างอิงจากการประเมินมวลอะตอมปี 2546 [17]

จำกัด การ (ช้า) ปฏิกิริยาใน CNO-I วงจรคือจับโปรตอนใน14
7

. ในปี 2549 ได้มีการทดลองวัดค่าพลังงานของดาวฤกษ์โดยทบทวนอายุที่คำนวณได้ของกระจุกดาวทรงกลมประมาณ 1 พันล้านปี [18]

นิวตริโนที่ปล่อยออกมาในการสลายตัวของเบต้าจะมีสเปกตรัมของช่วงพลังงานเพราะแม้ว่าโมเมนตัมเป็นป่าสงวนโมเมนตัมที่สามารถใช้ร่วมกันในทางระหว่างโพซิตรอนและนิวตริโนใด ๆ ที่มีทั้งที่ปล่อยออกมาในส่วนที่เหลือและการซักอื่น ๆ ออกไปพลังงานเต็มรูปแบบหรืออะไร ในระหว่างนั้นตราบใดที่ใช้พลังงานทั้งหมดจากค่า Q โมเมนตัมทั้งหมดที่ได้รับจากอิเล็กตรอนและนิวตริโนนั้นไม่มากพอที่จะทำให้เกิดการหดตัวอย่างมีนัยสำคัญของนิวเคลียสลูกสาวที่หนักกว่ามาก[a]และด้วยเหตุนี้การมีส่วนร่วมในพลังงานจลน์ของผลิตภัณฑ์สำหรับความแม่นยำของค่าที่ให้ไว้ที่นี่สามารถเป็นได้ ละเลย ดังนั้นนิวตริโนที่ปล่อยออกมาในระหว่างการสลายตัวของไนโตรเจน -13 สามารถมีพลังงานตั้งแต่ศูนย์ถึง 1.20 MeV และนิวตริโนที่ปล่อยออกมาในระหว่างการสลายตัวของออกซิเจน -15 สามารถมีพลังงานได้ตั้งแต่ศูนย์ถึง 1.73 MeV โดยเฉลี่ยประมาณ 1.7 MeV ของการส่งออกพลังงานทั้งหมดจะถูกนำออกจากนิวตริโนสำหรับวงของวงจรแต่ละออกประมาณ 25 MeV สามารถใช้ได้สำหรับการผลิตผ่องใส [19]

CNO-II

ในสาขาย่อยของปฏิกิริยาข้างต้นเกิดขึ้นในแกนกลางของดวงอาทิตย์ 0.04% ของเวลาปฏิกิริยาสุดท้ายที่เกี่ยวข้องกับ 15
7

ที่แสดงด้านบนไม่ได้ผลิตคาร์บอน -12 และอนุภาคแอลฟา แต่สร้างออกซิเจน -16 และโฟตอนแทนและยังคงดำเนินต่อไป

15
7

16
8
โอ
17
9

17
8
โอ
14
7

15
8
โอ
15
7

ในรายละเอียด:

15
7

 
1
1

 
→ 16
8
โอ
 

γ
 
  12.13 MeV
16
8
โอ
 
1
1

 
→ 17
9

 

γ
 
  0.60 เมกะโวลต์
17
9

 
  → 17
8
โอ
 

+
 

ν
 
2.76 MeV(ครึ่งชีวิต 64.49 วินาที)
17
8
โอ
 
1
1

 
→ 14
7

 
4
2
เขา
 
  1.19 MeV
14
7

 
1
1

 
→ 15
8
โอ
 

γ
 
  7.35 MeV
15
8
โอ
 
  → 15
7

 

+
 

ν
 
2.75 MeV(ครึ่งชีวิต 122.24 วินาที)

เช่นเดียวกับคาร์บอนไนโตรเจนและออกซิเจนที่เกี่ยวข้องในสาขาหลักฟลูออรีนที่ผลิตในสาขาย่อยเป็นเพียงผลิตภัณฑ์ขั้นกลาง ในสภาวะคงที่จะไม่สะสมในดาว

CNO-III

สาขาย่อยนี้มีความสำคัญสำหรับดาวมวลมากเท่านั้น ปฏิกิริยาจะเริ่มต้นเมื่อหนึ่งในปฏิกิริยาใน CNO-II ส่งผลให้ฟลูออรีน -18 และแกมมาแทนที่จะเป็นไนโตรเจน -14 และอัลฟาและยังคงดำเนินต่อไป

17
8
โอ
18
9

18
8
โอ
15
7

16
8
โอ
17
9

17
8
โอ

ในรายละเอียด:

17
8
โอ
 
+  1
1

 
→  18
9

 
+  
γ
 
  +  5.61 MeV
18
9

 
  →  18
8
โอ
 
+  
+
 
+  
ν
 
+  1.656 MeV(ครึ่งชีวิต 109.771 นาที)
18
8
โอ
 
+  1
1

 
→  15
7

 
+  4
2
เขา
 
  +  3.98 MeV
15
7

 
+  1
1

 
→  16
8
โอ
 
+  
γ
 
  +  12.13 MeV
16
8
โอ
 
+  1
1

 
→  17
9

 
+  
γ
 
  +  0.60 เมกะโวลต์
17
9

 
  →  17
8
โอ
 
+  
+
 
+  
ν
 
+  2.76 MeV(ครึ่งชีวิต 64.49 วินาที)

CNO-IV

โปรตอนทำปฏิกิริยากับนิวเคลียสทำให้เกิดการปลดปล่อยอนุภาคแอลฟา

เช่นเดียวกับ CNO-III สาขานี้มีความสำคัญในดาวฤกษ์มวลมากเท่านั้น ปฏิกิริยาจะเริ่มต้นเมื่อหนึ่งในปฏิกิริยาใน CNO-III ส่งผลให้ฟลูออรีน -19 และแกมมาแทนที่จะเป็นไนโตรเจน -15 และอัลฟาและดำเนินต่อไป:18
8
โอ
19
9

16
8
โอ
17
9

17
8
โอ
18
9

18
8
โอ

ในรายละเอียด:

18
8
โอ
 
1
1

 
→  19
9

 

γ
 
    7.994 MeV
19
9

 
1
1

 
→ 16
8
โอ
 
4
2
เขา
 
  8.114 MeV
16
8
โอ
 
1
1

 
→ 17
9

 

γ
 
  0.60 เมกะโวลต์
17
9

 
  → 17
8
โอ
 

+
 

ν
 
2.76 MeV(ครึ่งชีวิต 64.49 วินาที)
17
8
โอ
 
1
1

 
→ 18
9

 

γ
 
  5.61 MeV
18
9

 
  → 18
8
โอ
 

+
 

ν
 
1.656 MeV(ครึ่งชีวิต 109.771 นาที)

ในบางกรณี 18
9

สามารถรวมกับนิวเคลียสของฮีเลียมเพื่อเริ่มวงจรโซเดียม - นีออน [20]