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

Примечания

1. H. A. Bethe: Energy Production in Stars. Physical Review 55 (1939) 434—456, doi:10.1103/PhysRev.55.434.
2. C. F. von Weizsäcker: Über Elementumwandlungen im Innern der Sterne. Physikalische Zeitschrift 38 (1937) 176—191 und 39 (1938) 633—646.
3. An Introduction to Nuclear Astrophysics, By Richard N. Boyd, University of Chicago Press, Jun 1, 2008, ISBN 978-0-226-06971-5; page 211
4. Статья УГЛЕРОДНЫЙ ЦИКЛ, Физический энциклопедический словарь. — М.: Советская энциклопедия. Главный редактор А. М. Прохоров. 1983.
5. Principles and Perspectives in Cosmochemistry, Springer, 2010, ISBN 978-3-642-10368-1, page 233
6. Астронет > Углеродный цикл  (неопр.). Дата обращения: 9 января 2013. Архивировано 6 марта 2012 года.

Литература

• Углеродный цикл / Д. К. Надёжин // Физика космоса: Маленькая энциклопедия / Редкол.: Р. А. Сюняев (Гл. ред.) и др. — 2-е изд. — М. : Советская энциклопедия, 1986. — С. 679—681. — 70 000 экз.

Ссылки

• Bethe, H. A. (1939). "Energy Production in Stars". Physical Review. 55 (5): 434—56. Bibcode:1939PhRv...55..434B. doi:10.1103/PhysRev.55.434.
• Iben, I. (1967). "Stellar Evolution Within and off the Main Sequence". Annual Review of Astronomy and Astrophysics. 5: 571—626. Bibcode:1967ARA&A...5..571I. doi:10.1146/annurev.aa.05.090167.003035.