Водородный цикл

Водоро́дный цикл (протон-протонный цикл, протон-протонная цепная реакция, протон-протонная цепочка, pp-цикл), последовательность термоядерных реакций в звёздах, приводящая к превращению водорода ¹ H в гелий ⁴ He без участия катализаторов. Водородный цикл – основной источник энергии звёзд с массой меньше 1,2 массы Солнца на начальных стадиях их существования.

Наиболее важные реакции водородного цикла представлены на схеме ниже (здесь e⁺ – позитрон, e^– – электрон, ν_e – электронное нейтрино, γ – фотон; звёздочкой обозначены возбуждённые состояния атомных ядер).

Водородный цикл начинается столкновением двух протонов ¹ H с образованием атомного ядра дейтерия ² H. Дейтерий реагирует с протоном, образуя изотоп гелия ³ He. Два ядра ³ He при столкновении образуют ⁴ He с отщеплением двух протонов (путь I на схеме) либо ³ He соединяется с ⁴ He и образуется ядро бериллия ⁷ Be. Последнее, в свою очередь, захватывает либо электрон (путь II), либо протон (путь III), и возникает ещё одно разветвление протон-протонной цепочки реакций. В результате водородный цикл может идти тремя различными путями – I, II и III. Для реализации ветви I первые две реакции водородного цикла должны осуществиться дважды.

Скорости промежуточных реакций водородного цикла очень велики по сравнению со скоростью первой реакции. Поэтому ² H, ³ He, ⁷ Be, ⁷ Li и ⁸ B не накапливаются в сколько-нибудь заметных количествах. В недрах Солнца примерно в 92 % всех случаев водородный цикл заканчивается ветвью I, в 8 % – ветвью II, а на долю ветви III приходится всего 0,01 % случаев. Вклад ветви III в скорость генерации солнечной энергии ничтожен, но она важна для детектирования солнечных нейтрино, поскольку при бета-распаде ядра ⁸ B испускаются нейтрино высокой энергии – вплоть до 14 МэВ.

Итог каждой ветви водородного цикла – образование ядра ⁴ He из четырёх протонов с испусканием двух нейтрино. При этом выделяется энергия 26,73 МэВ, из которой в среднем около 0,6 МэВ уносят нейтрино. В недрах звёзд при температуре T ≥ 1,8 ∙ 10⁷ К с водородным циклом конкурирует углеродно-азотный цикл.