CNO-цикл

Запрос «Углеродный цикл» перенаправляется сюда; о переносе углерода между различными геохимическими резервуарами см. Геохимический цикл углерода.

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 Бете^[1] и независимо от него Карлом Вайцзеккером^[2].

Основной путь реакции CN-цикла^[3] (дополнительно указано характерное время протекания реакций)^[4]:

12C + p	→	13N + γ	+1,94 МэВ	~1,3⋅107 лет
13N	→	13C + e+ + νe	+2,22 МэВ	~7 минут	(либо +1,20 МэВ без учёта аннигиляции e+; T½ для 13N = 9,96 мин[5])
13C + p	→	14N + γ	+7,55 МэВ	~2,7⋅106 лет
14N + p	→	15O + γ	+7,30 МэВ	~3,2⋅108 лет
15O	→	15N + e+ + νe	+2,75 МэВ	~82 секунды	(либо +1,73 МэВ без учёта аннигиляции e+; T½ для 15O = 122,24 с[5])
15N + p	→	12C + 4He	+4,96 МэВ	~1,1⋅105 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⋅108 лет[4])
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)^[6]. Однако этот цикл важен для объяснения происхождения ¹⁹F.

17O + 1H	→	18F + γ	+ 5.61 МэВ
18F	→	18O + e+ + νe	+ 1.656 МэВ
18O + 1H	→	19F + γ	+ 7.994 МэВ
19F + 1H	→	16O + 4He	+ 8.114 МэВ
16O + 1H	→	17F + γ	+ 0.60 МэВ
17F	→	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