УГЛЕРО́ДНО-АЗО́ТНЫЙ ЦИКЛ
-
Рубрика: Физика
-
-
Скопировать библиографическую ссылку:
УГЛЕРО́ДНО-АЗО́ТНЫЙ ЦИКЛ (CNO-цикл), последовательность термоядерных реакций в звёздах, приводящая к превращению водорода в гелий с участием стабильных изотопов углерода , азота , кислорода и фтора в качестве катализаторов. У.-а. ц. – осн. источник энергии звёзд с массой больше 1,2 масс Солнца на начальных стадиях их существования (см. Эволюция звёзд). Темп-ра ядер таких звёзд превышает 18 млн. К, что обеспечивает преобладание У.-а. ц. над водородным циклом.
Совокупность реакций У.-а. ц. состоит из 4 переплетающихся элементарных циклов:
I. $\ce{^12_6 C} + \ce{p} \rightarrow \ce{^13_7 N}+\ce{γ};\\ \ce{^13_7 N} \rightarrow \ce{^13_6 C} +\ce{e+}+\ce{ν}_e;\\ \ce{^13_6 C} + \ce{p} \rightarrow \ce{^14_7 N}+γ;\\ \ce{^14_7 N} + \ce{p} \rightarrow \ce{^15_8 O}+γ;\\ \ce{^15_8 O} \rightarrow \ce{^15_7 N} + \ce{e+} + ν_e;\\ \ce{^15_7 N} + \ce{p} \rightarrow \ce{^12_6 C} + α.$
II. $\ce{^14_7 N} + \ce{p} \rightarrow \ce{^15_8 O}+γ;\\ \ce{^15_8 O} \rightarrow \ce{^15_7 N} +\ce{e+}+ν_e;\\ \ce{^15_7 N} + \ce{p} \rightarrow \ce{^16_8 O}+\ce{γ};\\ \ce{^16_8 O} + \ce{p} \rightarrow \ce{^17_9 F}+\ce{γ};\\ \ce{^17_9 F} \rightarrow \ce{^17_8 O} + \ce{e+} + ν_e;\\ \ce{^17_8 O} + \ce{p} \rightarrow \ce{^14_7 N} + \ce{α}.$
III. $\ce{^15_7 N} + \ce{p} \rightarrow \ce{^16_8 O}+γ;\\ \ce{^16_8 O} +\ce{p} \rightarrow \ce{^17_9 F} +γ;\\ \ce{^17_9 F} \rightarrow \ce{^17_8 O}+\ce{e+} + ν_e;\\ \ce{^17_8 O} + \ce{p} \rightarrow \ce{^18_9 F}+\ce{γ};\\ \ce{^18_9 F} \rightarrow \ce{^18_8 O} + \ce{e+} + ν_e;\\ \ce{^18_8 O} + \ce{p} \rightarrow \ce{^15_7 N} + \ce{α}.$
IV. $\ce{^16_8 O} + \ce{p} \rightarrow \ce{^17_9 F}+γ;\\ \ce{^17_9 F} \rightarrow \ce{^17_8 O} +\ce{e+} + ν_e;\\ \ce{^17_8 O} + \ce{p} \rightarrow \ce{^18_9 F}+γ;\\ \ce{^18_9 F} \rightarrow \ce{^18_8 O}+\ce{e+} + ν_e;\\ \ce{^18_8 O} + \ce{p} \rightarrow \ce{^19_9 F} + γ;\\ \ce{^19_9 F} + \ce{p} \rightarrow \ce{^16_8 O} + \ce{α}.$
Здесь $\ce{p}$ – протон, $α$ – α-частица, $\ce{e+}$ – позитрон, $γ$ – фотон, $ν_e$ – электронное нейтрино.
Каждый из циклов I–IV состоит из 6 реакций, включающих 3 реакции радиационного захвата протона, 2 реакции позитронного бета-распада и завершающую реакцию захвата протона с выбросом α-частицы. Итогом каждого цикла является образование из 4 протонов ядра атома 4He (α-частицы) с испусканием 2 нейтрино. При этом выделяется энергия 26,73 МэВ, из которой в среднем по всем 4 элементарным циклам 1,7 МэВ уносят нейтрино.
В установившемся У.-а. ц. на каждый цикл IV приходится более 1000 циклов II и III и более 106 циклов I. Наиболее медленной в цикле I оказывается реакция поэтому именно она определяет скорость переработки водорода в гелий и интенсивность энерговыделения в углеродно-азотном цикле.
Для ядерной астрофизики особенно важны такие последствия У.-а. ц., как превращение почти всех (ок. 94%) исходных изотопов $\ce{C}$, $\ce{N}$, $\ce{O}$ и $\ce{F}$ в нуклид $\ce{^14_7 N}$, а также образование нуклидов $\ce{^13_6 C}$ и $\ce{^17_8 O}$ – потенциальных источников нейтронов $\ce{n}$ на более поздних стадиях эволюции звёзд в реакциях $\ce{^13_6 C} + α \rightarrow \ce{^16_8 O} + \ce{n}$ и $\ce{^17_8 O} + α \rightarrow \ce{^20_10 Ne} + \ce{n}$.