CNO-цикл — термоядерная реакция превращения водорода в гелий, в которой углерод, кислород и азот выступают как катализаторы. Считается одним из основных процессов термоядерного синтеза в массивных звёздах главной последовательности.
Процесс углеродного сгорания CNO-цикл — это совокупность трёх сцепленных друг с другом или, точнее, частично перекрывающихся циклов. Самый простой из них — CN-цикл (цикл Бете, или углеродный цикл) — был предложен в 1938 году Хансом БетеH. A. Bethe: Energy Production in Stars. Physical Review 55 (1939) 434—456, doi:10.1103/PhysRev.55.434. и независимо от него Карлом ВайцзеккеромC. F. von Weizsäcker: Über Elementumwandlungen im Innern der Sterne. Physikalische Zeitschrift 38 (1937) 176—191 und 39 (1938) 633—646..
Основной путь реакции CN-циклаAn Introduction to Nuclear Astrophysics, By Richard N. Boyd, University of Chicago Press, Jun 1, 2008, ISBN 978-0-226-06971-5; page 211 (дополнительно указано характерное время протекания реакций)Статья УГЛЕРОДНЫЙ ЦИКЛ, Физический энциклопедический словарь. — М.: Советская энциклопедия. Главный редактор А. М. Прохоров. 1983.:
12C + p → 13N + γ +1,94 МэВ ~1,3 лет 13N → 13C + e+ + νe +2,22 МэВ ~7 минут (либо +1,20 МэВ без учёта аннигиляции e+; T½ для 13N = 9,96 минPrinciples and Perspectives in Cosmochemistry, Springer, 2010, ISBN 978-3-642-10368-1, page 233) 13C + p → 14N + γ +7,55 МэВ ~2,7 лет 14N + p → 15O + γ +7,30 МэВ ~3,2 лет 15O → 15N + e+ + νe +2,75 МэВ ~82 секунды (либо +1,73 МэВ без учёта аннигиляции e+; T½ для 15O = 122,24 с) 15N + p → 12C + 4He +4,96 МэВ ~1,1 лет
Суть этого цикла состоит в непрямом синтезе α-частицы из четырёх протонов при их последовательных захватах ядрами, начиная с 12C.
Процессы кислородного сгорания В реакции с захватом протона ядром 15N возможен ещё один исход (с вероятностью примерно 1/1000): образование ядра 16О и рождение нового цикла, называемого NO I-циклом.
Он имеет в точности ту же структуру, что и CN-цикл:
14N + 1H → 15O + γ +7,29 МэВ (3,2 лет) 15O → 15N + e+ + νe +2,76 МэВ (82 секунды) 15N + 1H → 16O + γ +12.13 МэВ 16O + 1H → 17F + γ +0,60 МэВ 17F → 17O + e+ + νe +2,76 МэВ 17O + 1H → 14N + 4He +1,19 МэВ
NO I-цикл повышает темп энерговыделения в CN-цикле, увеличивая число ядер-катализаторов CN-цикла.
Последняя реакция этого цикла также имеет два варианта протекания, один из которых даёт начало ещё одному циклу — NO II-циклу:
15N + 1H → 16O + γ +12.13 МэВ 16O + 1H → 17F + γ +0,60 МэВ 17F → 17O + e+ + νe +2,76 МэВ 17O + 1H → 18F + γ +5,61 МэВ 18F → 18O + e+ + νe + 1.656 МэВ 18O + 1H → 15N + 4He +3, 98 МэВ
Таким образом, циклы CN, NO I и NO II образуют тройной CNO-цикл.
Имеется ещё один очень медленный четвёртый цикл, т. н. OF-цикл, но его роль в выработке энергии ничтожно мала — на один такой цикл приходится примерно по тысяче циклов NO I и NO II и более миллиона циклов CN (это объясняется тем, что сечение реакции 17O + 1H → 18F + γ на три порядка ниже, чем 17O + 1H → 14N + 4He). Однако этот цикл важен для объяснения происхождения 19F.
17O + 1H → 18F + γ + 5.61 МэВ18F → 18O + e+ + νe + 1.656 МэВ18O + 1H → 19F + γ + 7.994 МэВ19F + 1H → 16O + 4He + 8.114 МэВ16O + 1H → 17F + γ + 0.60 МэВ17F → 17O + e+ + νe + 2.76 МэВ
При взрывном горении водорода в поверхностных слоях звёзд, например, при вспышках сверхновых, могут развиваться очень высокие температуры, и характер CNO-цикла резко меняется. Он превращается в так называемый горячий CNO-цикл, в котором реакции идут очень быстро и запутанно.
См. также Звёздный нуклеосинтез Протон-протонный цикл
Примечания
Литература
Ссылки
Категория:Термоядерные реакции Категория:Астрофизика