Вуглецево-азотний цикл

Схематичне зображення циклу Бете-Вейцзекера

Енерговиділення ε в протон-протонному ланцюжку (PP), вуглецево-азотному циклі (CNO) та потрійній α-реакції при різних температурах T. Пунктир — сума PP і CNO. Сонце відмічено жовтим (15,5 млн. К).

Вуглеце́во-азо́тний цикл — ланцюжок термоядерних реакцій за участі ядер вуглецю, азоту, кисню та фтору, унаслідок яких водень перетворюється на гелій та виділяється енергія. Розгалужений процес складається з чотирьох основних гілок, які переплетені між собою. У виділенні енергії головну роль відіграє найвідоміша перша гілка, інші гілки важливі для пояснення зоряного нуклеосинтезу.

У циклі беруть участь усі стабільні ізотопи C, N, O, F та декілька нестабільних ізотопів цих елементів. Тому в сучасній астрономічній літературі його часто називають CNO-циклом (ізотопи фтору мають дуже низьку концентрацію і їх внесок дуже незначний).

Основні гілки процесу

За типових умов, які зустрічаються в зорях, каталітичне спалювання водню циклами CNO обмежене захопленням протонів. Зокрема, час бета-розпаду утворених радіоактивних ядер є швидшим, ніж час синтезу. Через довгі часові масштаби холодні цикли CNO перетворюють водень на гелій повільно, дозволяючи їм живити зорі в стані спокою протягом багатьох років.

CNO-I

Перша гілка складається з таких реакцій:

• ¹²C + ¹H → ¹³N + γ + 1,95 МеВ (360 років)
• ¹³N → ¹³C + e⁺ + ν_e + 1,20 МеВ (7 хвилин)
• ¹³C + ¹H → ¹⁴N + γ + 7,54 МеВ (100 років)
• ¹⁴N + ¹H → ¹⁵O + γ + 7,35 МеВ (25 тис. років)
• ¹⁵O → ¹⁵N + e⁺ + ν_e + 1,73 МеВ (82 секунди)
• ¹⁵N + ¹H → ¹²C + ⁴He + 4,96 МеВ (0,93 року)

Цю гілку іноді називають циклом Бете — Вейцзекера або просто циклом Бете, оскільки її запропонували 1938 року Ганс Бете і (незалежно) Карл Вайцзекер як джерело енергії звичайних зір із температурою в центральній частині близько 20 млн K.

За таких умов найповільнішою є реакція ¹⁴N + ¹H → ¹⁵O + γ. Саме вона визначає інтенсивність енерговиділення та переробки протонів.

Остання реакція (протона з ядром ¹⁵N) зрідка завершується утворенням ядра ¹⁶O (приблизно одна реакція радіаційного захоплення протона на тисячу реакцій з утворенням альфа-частинки). Утворення такого ядра призводить до появи другої та третьої гілки. У скороченому вигляді їх можна записати так:

CNO-II

(¹⁴N + ¹H → ¹⁵O + γ) (¹⁵O → ¹⁵N + e⁺ + ν_e) (¹⁵N + ¹H → ¹⁶O + γ) (¹⁶O + ¹H → ¹⁷F + γ) (¹⁷F → ¹⁷O + e⁺ + ν_e) (¹⁷O + ¹H → ¹⁴N + ⁴He)

CNO-III

(¹⁵N + ¹H → ¹⁶O + γ) (¹⁶O + ¹H → ¹⁷F + γ) (¹⁷F → ¹⁷O + e⁺ + ν_e) (¹⁷O + ¹H → ¹⁸F + γ) (¹⁸F → ¹⁸O + e⁺ + ν_e) (¹⁸O + ¹H → ¹⁵N + ⁴He)

Швидкість перебігу реакцій другої та третьої гілки приблизно однакова, вона визначається найповільнішою (за температури близько 20 млн К) ланкою: ¹⁷O + ¹H.

Ще одна гілка виникає внаслідок розгалуження в останній реакції третьої гілки: замість (¹⁸O + ¹H → ¹⁵N + ⁴He) зрідка відбувається реакція (¹⁸O + ¹H → ¹⁹F + γ); такий варіант щонайменше на три порядки рідший, ніж основний.

CNO-IV

У скороченому вигляді гілку записують так:

(¹⁶O + ¹H → ¹⁷F + γ) (¹⁷F → ¹⁷O + e⁺ + ν_e) (¹⁷O + ¹H → ¹⁸F + γ) (¹⁸F → ¹⁸O + e⁺ + ν_e) (¹⁸O + ¹H → ¹⁹F + γ) (¹⁹F + ¹H → ¹⁶O + ⁴He).

Загальний результат

Кожна з гілок циклу призводить до перетворення чотирьох протонів (¹H) на ядро гелію (⁴He), два позитрони та нейтрино з виділенням 26,73 МеВ (як і у водневому циклі). Утім, частка енергії, яку виносять нейтрино (близько 1,7 МеВ), дещо більша, ніж у реакціях водневого циклу.

Водночас протони беруть участь у реакціях водневого циклу, але швидкість протонних реакцій вуглецево-азотного циклу залежить від температури набагато сильніше, ніж відповідних реакцій водневого циклу. Тому вуглецево-азотний цикл є переважним джерелом енергії для зір, температура в ядрі яких перевищує 15 млн K. Це зорі з масою понад 1,2М_☉.

Хоча друга та третя гілка мають другорядне значення для енерговиділення, однак вони визначають концентрацію ізотопів ¹⁷O та ¹⁸O, що має суттєве значення для нуклеосинтезу. На пізніших стадіях зоряної еволюції ці ізотопи можуть брати участь у реакціях із виділенням нейтронів.

Четверта гілка попри незначну роль у виділенні енергії (менше мільйонної частки) важлива тим, що пояснює походження ¹⁹F. За участю цього ізотопу відбуваються подальші реакції (зокрема, ¹⁹F + ¹H → ²⁰Ne + γ), але їх імовірність дуже невелика, і нею зазвичай нехтують.

Через деякий час після початку реакцій встановлюється певне співвідношення між концентраціями ізотопів C, N, O, F (воно залежить від температури та густини в надрах зорі), яке надалі залишається практично незмінним. Тому ці ізотопи називають каталізаторами.

«Гарячий» цикл

Ланцюжок кожної гілки вуглецево-азотного циклу містить дві реакції бета-розпаду, швидкість яких не залежить від зовнішніх умов. У надрах зір головної послідовності ці реакції є найшвидшими й загальна швидкість енерговиділення визначається перебігом реакцій за участю протонів.

Під час спалахів нових і наднових або на поверхні нейтронних зір реакції вуглецево-азотного циклу відбуваються за температур близько 80 млн K і бета-розпад стає, навпаки, найповільнішою ланкою циклу. Нестійкі ядра не встигають розпадатися й беруть участь у нових ядерних реакціях за участю протонів та альфа-частинок. У цьому випадку кількість гілок циклу значно збільшується й він набуває заплутаного характеру. Такий вуглецево-азотний цикл називають гарячим.

У гарячому CNO-циклі через дуже високу температуру нестабільні нукліди встигають поглинути протон до бета-розпаду. Гарячі CNO-цикли відіграють важливу роль в астрофізиці, адже саме вони призводять до термоядерного вибуху, що в свою чергу є причиною спалаху нової, і подальшого скидання її оболонки на швидкостях близько 1000 км/с, а також мають місце на поверхні нейтронних зір, і спостерігаються на них як рентгенівський спалах.

Період напіврозпаду ${\phantom{A}}_{\phantom{}}^{\phantom{13}}{\phantom{A}}_{\phantom{2}}^{\phantom{2}13}\mathrm{N}$ становить 863 секунди, а ${\phantom{A}}_{\phantom{}}^{\phantom{15}}{\phantom{A}}_{\phantom{2}}^{\phantom{2}15}\mathrm{O}$ – 176,3 секунд. Тривалість розпаду ${\phantom{A}}_{\phantom{}}^{\phantom{13}}{\phantom{A}}_{\phantom{2}}^{\phantom{2}13}\mathrm{N}$ достатньо повільна, щоб забезпечити розвиток циклу Бете — Вейцзекера. Коли температура та густина зростають, швидкість реакції ${\phantom{A}}_{\phantom{}}^{\phantom{13}}{\phantom{A}}_{\phantom{2}}^{\phantom{2}13}\mathrm{N}$(p, γ)${\phantom{A}}_{\phantom{}}^{\phantom{14}}{\phantom{A}}_{\phantom{2}}^{\phantom{2}14}\mathrm{O}$ стає достатньо високою для того, щоб ядро ${\phantom{A}}_{\phantom{}}^{\phantom{13}}{\phantom{A}}_{\phantom{2}}^{\phantom{2}13}\mathrm{N}$ встигло захопити протон ще до того, як воно розпадеться, і це призводить до гарячого вуглецево-азотного циклу .

HCNO-I

Різниця між циклом CNO-I і циклом HCNO-I полягає в тому, що ${\phantom{A}}_{\phantom{7}}^{\phantom{13}}{\phantom{A}}_{\phantom{2}7}^{\phantom{2}13}\mathrm{N}$ захоплює протон замість розпаду, в результаті чого відбуваються такі реакції:

${\phantom{A}}_{\phantom{6}}^{\phantom{12}}{\phantom{A}}_{\phantom{2}6}^{\phantom{2}12}\mathrm{C}$	+	${\phantom{A}}_{\phantom{1}}^{\phantom{1}}{\phantom{A}}_{\phantom{2}1}^{\phantom{2}1}\mathrm{H}$	→	${\phantom{A}}_{\phantom{7}}^{\phantom{13}}{\phantom{A}}_{\phantom{2}7}^{\phantom{2}13}\mathrm{N}$	+	Шаблон:Math			+	Шаблон:Val
${\phantom{A}}_{\phantom{7}}^{\phantom{13}}{\phantom{A}}_{\phantom{2}7}^{\phantom{2}13}\mathrm{N}$	+	${\phantom{A}}_{\phantom{1}}^{\phantom{1}}{\phantom{A}}_{\phantom{2}1}^{\phantom{2}1}\mathrm{H}$	→	${\phantom{A}}_{\phantom{8}}^{\phantom{14}}{\phantom{A}}_{\phantom{2}8}^{\phantom{2}14}\mathrm{O}$	+	Шаблон:Math			+	Шаблон:Val
${\phantom{A}}_{\phantom{8}}^{\phantom{14}}{\phantom{A}}_{\phantom{2}8}^{\phantom{2}14}\mathrm{O}$			→	${\phantom{A}}_{\phantom{7}}^{\phantom{14}}{\phantom{A}}_{\phantom{2}7}^{\phantom{2}14}\mathrm{N}$	+	Шаблон:SubatomicParticle	+	Шаблон:Math	+	Шаблон:Val	(період напіврозпаду 70.641 секунд)
${\phantom{A}}_{\phantom{7}}^{\phantom{14}}{\phantom{A}}_{\phantom{2}7}^{\phantom{2}14}\mathrm{N}$	+	${\phantom{A}}_{\phantom{1}}^{\phantom{1}}{\phantom{A}}_{\phantom{2}1}^{\phantom{2}1}\mathrm{H}$	→	${\phantom{A}}_{\phantom{8}}^{\phantom{15}}{\phantom{A}}_{\phantom{2}8}^{\phantom{2}15}\mathrm{O}$	+	Шаблон:Math			+	Шаблон:Val
${\phantom{A}}_{\phantom{8}}^{\phantom{15}}{\phantom{A}}_{\phantom{2}8}^{\phantom{2}15}\mathrm{O}$			→	${\phantom{A}}_{\phantom{7}}^{\phantom{15}}{\phantom{A}}_{\phantom{2}7}^{\phantom{2}15}\mathrm{N}$	+	Шаблон:SubatomicParticle	+	Шаблон:Math	+	Шаблон:Val	(період напіврозпаду 122.24 секунд)
${\phantom{A}}_{\phantom{7}}^{\phantom{15}}{\phantom{A}}_{\phantom{2}7}^{\phantom{2}15}\mathrm{N}$	+	${\phantom{A}}_{\phantom{1}}^{\phantom{1}}{\phantom{A}}_{\phantom{2}1}^{\phantom{2}1}\mathrm{H}$	→	${\phantom{A}}_{\phantom{6}}^{\phantom{12}}{\phantom{A}}_{\phantom{2}6}^{\phantom{2}12}\mathrm{C}$	+	${\phantom{A}}_{\phantom{2}}^{\phantom{4}}{\phantom{A}}_{\phantom{2}2}^{\phantom{2}4}\mathrm{H}\mathrm{e}$			+	Шаблон:Val

HCNO-II

Помітна відмінність між циклом CNO-II і циклом HCNO-II полягає в тому, що ${\phantom{A}}_{\phantom{9}}^{\phantom{17}}{\phantom{A}}_{\phantom{2}9}^{\phantom{2}17}\mathrm{F}$ замість розпаду захоплює протон (з утворенням неону), а далі утворюється ${\phantom{A}}_{\phantom{9}}^{\phantom{18}}{\phantom{A}}_{\phantom{2}9}^{\phantom{2}18}\mathrm{F}$, і в результаті виникає така послідовність:

${\phantom{A}}_{\phantom{7}}^{\phantom{15}}{\phantom{A}}_{\phantom{2}7}^{\phantom{2}15}\mathrm{N}$	+	${\phantom{A}}_{\phantom{1}}^{\phantom{1}}{\phantom{A}}_{\phantom{2}1}^{\phantom{2}1}\mathrm{H}$	→	${\phantom{A}}_{\phantom{8}}^{\phantom{16}}{\phantom{A}}_{\phantom{2}8}^{\phantom{2}16}\mathrm{O}$	+	Шаблон:Math			+	Шаблон:Val
${\phantom{A}}_{\phantom{8}}^{\phantom{16}}{\phantom{A}}_{\phantom{2}8}^{\phantom{2}16}\mathrm{O}$	+	${\phantom{A}}_{\phantom{1}}^{\phantom{1}}{\phantom{A}}_{\phantom{2}1}^{\phantom{2}1}\mathrm{H}$	→	${\phantom{A}}_{\phantom{9}}^{\phantom{17}}{\phantom{A}}_{\phantom{2}9}^{\phantom{2}17}\mathrm{F}$	+	Шаблон:Math			+	Шаблон:Val
${\phantom{A}}_{\phantom{9}}^{\phantom{17}}{\phantom{A}}_{\phantom{2}9}^{\phantom{2}17}\mathrm{F}$	+	${\phantom{A}}_{\phantom{1}}^{\phantom{1}}{\phantom{A}}_{\phantom{2}1}^{\phantom{2}1}\mathrm{H}$	→	${\phantom{A}}_{\phantom{10}}^{\phantom{18}}{\phantom{A}}_{\phantom{2}10}^{\phantom{2}18}\mathrm{N}\mathrm{e}$	+	Шаблон:Math			+	Шаблон:Val
${\phantom{A}}_{\phantom{10}}^{\phantom{18}}{\phantom{A}}_{\phantom{2}10}^{\phantom{2}18}\mathrm{N}\mathrm{e}$			→	${\phantom{A}}_{\phantom{9}}^{\phantom{18}}{\phantom{A}}_{\phantom{2}9}^{\phantom{2}18}\mathrm{F}$	+	Шаблон:SubatomicParticle	+	Шаблон:Math	+	Шаблон:Val	(період напіврозпаду 1.672 секунд)
${\phantom{A}}_{\phantom{9}}^{\phantom{18}}{\phantom{A}}_{\phantom{2}9}^{\phantom{2}18}\mathrm{F}$	+	${\phantom{A}}_{\phantom{1}}^{\phantom{1}}{\phantom{A}}_{\phantom{2}1}^{\phantom{2}1}\mathrm{H}$	→	${\phantom{A}}_{\phantom{9}}^{\phantom{15}}{\phantom{A}}_{\phantom{2}9}^{\phantom{2}15}\mathrm{O}$	+	${\phantom{A}}_{\phantom{2}}^{\phantom{4}}{\phantom{A}}_{\phantom{2}2}^{\phantom{2}4}\mathrm{H}\mathrm{e}$			+	Шаблон:Val
${\phantom{A}}_{\phantom{9}}^{\phantom{15}}{\phantom{A}}_{\phantom{2}9}^{\phantom{2}15}\mathrm{O}$			→	${\phantom{A}}_{\phantom{7}}^{\phantom{15}}{\phantom{A}}_{\phantom{2}7}^{\phantom{2}15}\mathrm{N}$	+	Шаблон:SubatomicParticle	+	Шаблон:Math	+	Шаблон:Val	(період напіврозпаду 122.24 секунд)

HCNO-III

Цикл є альтернативним варіантом циклу HCNO-III. На відміну від останнього в циклі HCNO-III ${\phantom{A}}_{\phantom{9}}^{\phantom{18}}{\phantom{A}}_{\phantom{2}9}^{\phantom{2}18}\mathrm{F}$ захоплює протон. Детальні реакції для даного циклу наведені нижче:

${\phantom{A}}_{\phantom{9}}^{\phantom{18}}{\phantom{A}}_{\phantom{2}9}^{\phantom{2}18}\mathrm{F}$	+	${\phantom{A}}_{\phantom{1}}^{\phantom{1}}{\phantom{A}}_{\phantom{2}1}^{\phantom{2}1}\mathrm{H}$	→	${\phantom{A}}_{\phantom{10}}^{\phantom{19}}{\phantom{A}}_{\phantom{2}10}^{\phantom{2}19}\mathrm{N}\mathrm{e}$	+	Шаблон:Math			+	Шаблон:Val
${\phantom{A}}_{\phantom{10}}^{\phantom{19}}{\phantom{A}}_{\phantom{2}10}^{\phantom{2}19}\mathrm{N}\mathrm{e}$			→	${\phantom{A}}_{\phantom{9}}^{\phantom{19}}{\phantom{A}}_{\phantom{2}9}^{\phantom{2}19}\mathrm{F}\mathrm{e}$	+	Шаблон:SubatomicParticle	+	Шаблон:Math	+	Шаблон:Val	(період напіврозпаду 17.22 секунд)
${\phantom{A}}_{\phantom{9}}^{\phantom{19}}{\phantom{A}}_{\phantom{2}9}^{\phantom{2}19}\mathrm{F}\mathrm{e}$	+	${\phantom{A}}_{\phantom{1}}^{\phantom{1}}{\phantom{A}}_{\phantom{2}1}^{\phantom{2}1}\mathrm{H}$	→	${\phantom{A}}_{\phantom{8}}^{\phantom{16}}{\phantom{A}}_{\phantom{2}8}^{\phantom{2}16}\mathrm{O}$	+	${\phantom{A}}_{\phantom{2}}^{\phantom{4}}{\phantom{A}}_{\phantom{2}2}^{\phantom{2}4}\mathrm{H}\mathrm{e}$			+	Шаблон:Val
${\phantom{A}}_{\phantom{8}}^{\phantom{16}}{\phantom{A}}_{\phantom{2}8}^{\phantom{2}16}\mathrm{O}$	+	${\phantom{A}}_{\phantom{1}}^{\phantom{1}}{\phantom{A}}_{\phantom{2}1}^{\phantom{2}1}\mathrm{H}$	→	${\phantom{A}}_{\phantom{9}}^{\phantom{17}}{\phantom{A}}_{\phantom{2}9}^{\phantom{2}17}\mathrm{F}$	+	Шаблон:Math			+	Шаблон:Val
${\phantom{A}}_{\phantom{9}}^{\phantom{17}}{\phantom{A}}_{\phantom{2}9}^{\phantom{2}17}\mathrm{F}$	+	${\phantom{A}}_{\phantom{1}}^{\phantom{1}}{\phantom{A}}_{\phantom{2}1}^{\phantom{2}1}\mathrm{H}$	→	${\phantom{A}}_{\phantom{10}}^{\phantom{18}}{\phantom{A}}_{\phantom{2}10}^{\phantom{2}18}\mathrm{N}\mathrm{e}$	+	Шаблон:Math			+	Шаблон:Val
${\phantom{A}}_{\phantom{10}}^{\phantom{18}}{\phantom{A}}_{\phantom{2}10}^{\phantom{2}18}\mathrm{N}\mathrm{e}$			→	${\phantom{A}}_{\phantom{9}}^{\phantom{18}}{\phantom{A}}_{\phantom{2}9}^{\phantom{2}18}\mathrm{F}$	+	Шаблон:SubatomicParticle	+	Шаблон:Math	+	Шаблон:Val	(період напіврозпаду 1.672 секунд)

Література

1. Шаблон:Cite web Шаблон:Ref-en
2. Шаблон:Cite book Шаблон:Ref-en

Посилання

• Шаблон:YouTube, канал НДІ астрономії Харківського університету