Proton-protonový cyklus

Technology

12 hours ago

Author

Proton-protonový cyklus (proton-protonová reakce, p-p cyklus, p-p reakce, pp reakce, p-p řetězec apod.) je cyklus jaderných reakcí, při kterých se v konečném důsledku přemění jádra vodíku 1H na jádra hélia 4He. Proton-protonový cyklus je základním zdrojem zářivé energie ve hvězdách hlavní posloupnosti, jejichž hmotnost příliš nepřesahuje hmotnost Slunce.

+more_Při_srážce_deuteria_s_dalším_protonem_vzniká_izotop_Helium'>hélia 3He a foton záření gama. Srážkou dvou těchto izotopů vzniká výsledný produkt, 4He, přičemž se uvolňují dva protony, které můžou vstoupit do další reakce. .

Podrobný průběh p-p reakce

1. krok

Na začátku této jaderné reakce dochází ke spojení dvou jader vodíku 1H za vzniku deuteria 2H. Uvolňuje se pozitron e+ a neutrino {\nu}. +more Tento první krok je velmi pomalý, protože protony musí využít tunelového jevu, aby prošly Coulombovou bariérou a protože zde působí slabá interakce.

{^{1}H} + {^{1}H} \rightarrow {^{2}D} + e^+ + {\nu}_e ….. (0,42 MeV)

(V závorce se uvádí množství energie uvolněné při jednotlivých reakcích.)

Uvolněný pozitron vzápětí anihiluje s nějakým elektronem, nacházejícím se ve slunečním jádru. Při této reakci se uvolní energie ve formě dvou gama fotonů. +more {e^+} + {e^-} \rightarrow 2{\gamma} …. (1,02 MeV).

Celkem se tedy v tomto prvním kroku uvolní +1,44 MeV energie.

2. krok

Vzniklé deuterium se může spojit s dalším jádrem vodíku 1H za vzniku izotopu helia 3He:

{^{2}D} + {^{1}H} \rightarrow {^{3}He} + \gamma ….. (+5,494 MeV)

3. krok

Nyní jsou čtyři možné postupy, které vedou ke vzniku izotopu helia 4He. V reakci pp I vzniká helium 4He spojením dvou jader helia 3He, v reakci pp II a pp III se spojí jádro 3He s již existujícím jádrem 4He za vzniku jádra berylia. +more Při poslední možnosti, pp IV, se slučuje jádro 3He s jádrem vodíku 1H za vzniku jádra 4He. Tato poslední reakce nastává velmi zřídka. Ve Slunci je pravděpodobnost, že nastane reakce pp I 86%, reakce pp II 14%, reakce pp III 0. 11% a reakce pp IV kolem 0,3 ppm.

3a. - reakce pp I

{^{3}He} + {^{3}He} \rightarrow {^{4}He} + {^{1}H} + {^{1}H} ….. (+12,859 MeV)

Tato reakce převládá při teplotách od 10 do 14 milionů Kelvinů (MK).

3b. - reakce pp II (spalování lithia)

{^{3}He} + {^{4}He} \rightarrow {^{7}Be} + \gamma …. (+1,59 MeV) {^{7}Be} + e^- \rightarrow {^{7}Li} + {\nu}_e …. +more (+0,86 MeV nebo +0,383 MeV) {^{7}Li} + {^{1}H} \rightarrow 2\,{^{4}He} …. (+17,35 MeV).

Tato reakce převažuje při teplotách od 14 do 23 MK.

90% neutrin vzniklých při reakci jádra berylia 7Be s elektronem e− si odnáší energii 0,861 MeV, zbývajících 10% vzniklých neutrin si odnáší energii 0,383 MeV (závisí na tom, zda je vzniklé jádro lithia 7Li v základním stavu nebo excitovaném).

3c. - reakce pp III

{^{7}Be} + {^{1}H} \rightarrow {^{8}B} + \gamma ….. (+0,13 MeV) {^{8}B} \rightarrow {^{8}Be} + e^+ + {\nu}_e ….. (+17,98 MeV) {^{8}Be} \rightarrow 2{^{4}He} ….. (+0,09 MeV)

Reakce pp III převažuje při teplotách překračujících 23 MK. Tato reakce není hlavním zdrojem energie na Slunci, ale byla důležitá pro vznik problému slunečních neutrin, protože při ní dochází k produkci vysokoenergetických neutrin (jejich energie dosahuje 14. +more06 MeV).

3d. - reakce pp IV (Hep reakce)

Tato reakce může teoreticky probíhat, ale je velmi vzácná (na Slunci probíhá asi s pravděpodobností 0,3 ppm). Při této reakci se spojí jádro helia 3He přímo s protonem za přímého vzniku helia 4He, uvolní se pozitron a elektronové neutrino s velmi vysokou energií (kolem 18,8 MeV).

{^{3}He} + {^{1}H} \rightarrow {^{4}He} + e^+ + {\nu}_e ….. (+18,8 MeV)

Tato reakce se někdy nazývá Hep reakce (slučuje se heliové jádro a proton)

Zdroj tepelné a zářivé energie

Schema průběhu pp reakce a pep reakce v nitru hvězdy podobné Slunci. +more Procenta ukazují pravděpodobnost průběhu dané reakce. Srovnáním hmotnosti vzniklého jádra helia 4He a hmotností čtyřech protonů, které jsou zapotřebí k jeho vzniku, dojdeme k závěru, že 0,7% původních protonů se přeměnilo na energii. Tuto energii (celkem 26,73 MeV) si odnáší vzniklé fotony gama záření a vzniklá neutrina.

Pouze energie vzniklého gama záření interaguje s elektrony a protony uvnitř Slunce a zahřívá jeho vnitřní části. Toto zahřívání zabraňuje gravitačnímu kolapsu Slunce.

Neutrina nereagují nijak významně s látkou a proto nemají vliv na zahřívání vnitřních částí Slunce. Neutrina vzniklá při reakcích pp I, pp II a pp III odnášejí pryč 2,0%, 4,0% a 28,3% energie, která vzniká při těchto reakcích.

pep reakce

Deuterium, kromě prvního kroku pp reakce, může také vzniknout velmi vzácnou pep (proton-elektron-proton) reakcí: {^{1}H} + e^- + {^{1}H} \rightarrow {^{2}D} + {\nu}_e ….. (+1,44 MeV)

Ve Slunci je poměr počtu pep reakcí k počtu pp reakcí 1:400. Neutrina uvolněná při této reakci jsou mnohem energetičtější. +more Zatímco neutrina vzniklá v prvním kroku pp reakce mají energii do 0,42 MeV, neutrina vzniklá při pep reakci jsou vysokoenergetická s energií kolem 1,44 MeV.

Obě reakce, pep a pp reakce, mohou být považovány jako dvě různé Feynmanovy reprezentace stejné základní interakce, kde elektron vystupuje na pravé straně zápisu reakce jako antielektron (pozitron). Další průběh reakcí je stejný, jako v krocích 2 - 4 pp reakce.

Přímý průkaz, že pep reakce se podílí na fúzních reakcích na Slunci, podala analýza výsledků experimentu Borexino z r. 2012, ve které byla zaznamenána neutrina v energetickém pásmu 1,0 MeV až 1,5 MeV. +more Ve spojení se standardním modelem Slunce to znamená i omezení možnosti, že na Slunci probíhá CNO cyklus.