Углеродно-азотный цикл

Углеро́дно-азо́тный цикл (углеродно-азотная цепная реакция, углеродно-азотная цепочка, углеродный цикл, CNO-цикл), последовательность термоядерных реакций в звёздах, приводящая к превращению водорода ${\displaystyle {\rm {^{1}_{1}H}}}$ в гелий ${\displaystyle {\rm {^{4}_{2}He}}}$ с участием стабильных изотопов углерода ${\displaystyle {\rm {^{12}_{6}C}}}$, азота ${\displaystyle {\rm {^{14}_{7}N}}}$, кислорода ${\displaystyle {\rm {^{16}_{8}O}}}$ и фтора ${\displaystyle {\rm {^{19}_{9}F}}}$ в качестве катализаторов. Углеродно-азотный цикл – основной источник энергии звёзд с массой больше 1,2 массы Солнца на начальных стадиях их существования. Температура ядер таких звёзд превышает 18 млн К, что обеспечивает преобладание углеродно-азотного цикла над водородным циклом.

Совокупность реакций углеродно-азотного цикла состоит из 4 переплетающихся элементарных циклов:

${\displaystyle {\ce {{\rm {I.}}\ \ {\rm {^{12}_{6}C}}+p->{^{13}_{7}{\rm {N}}}+\gamma ;}}}$
${\displaystyle {\ce {quad\quad \ {\rm {^{13}_{7}N}}->{\rm {^{13}_{6}C}}+e^{+}+\nu _{e};}}}$
${\displaystyle {\ce {quad\ {\rm {^{13}_{6}C}}+p->{^{14}_{7}{\rm {N}}}+\gamma ;}}}$
${\displaystyle {\ce {quad\ {\rm {^{14}_{7}N}}+p->{^{15}_{8}{\rm {O}}}+\gamma ;}}}$
${\displaystyle {\ce {quad\quad \ {\rm {^{15}_{8}O}}->{^{15}_{7}{\rm {N}}}+e^{+}+\nu _{e};}}}$
${\displaystyle {\ce {quad\quad \ {\rm {^{15}_{7}N}}+p->{\rm {^{12}_{6}C}}+{\rm {^{4}_{2}He}}}}}$.

${\displaystyle {\ce {{\rm {II.}}\ \ {\rm {^{14}_{7}N}}+p->{\rm {^{15}_{8}O}}+\gamma ;}}}$
${\displaystyle {\ce {quad\quad \ \ {\rm {^{15}_{8}O}}->{\rm {^{15}_{7}N}}+e^{+}+\nu _{e};}}}$
${\displaystyle {\ce {quad\ \ {\rm {^{15}_{7}N}}+p->{^{16}_{8}{\rm {O}}}+\gamma ;}}}$
${\displaystyle {\ce {quad\ \ {\rm {^{16}_{8}O}}+p->{\rm {^{17}_{9}F}}+\gamma ;}}}$
${\displaystyle {\ce {quad\quad \ {\rm {^{17}_{9}F}}->{^{17}_{8}{\rm {O}}}+e^{+}+\nu _{e};}}}$
${\displaystyle {\ce {quad\quad \ \ {\rm {^{17}_{8}O}}+p->{\rm {^{14}_{7}N}}+{\rm {^{4}_{2}He}}}}}$.

${\displaystyle {\ce {{\rm {III.}}\ \ {\rm {^{15}_{7}N}}+p->{\rm {^{16}_{8}O}}+\gamma ;}}}$
${\displaystyle {\ce {quad\quad {\rm {^{16}_{8}O}}+p->{\rm {^{17}_{9}F}}+\gamma ;}}}$
${\displaystyle {\ce {quad\quad \ \ \ {\rm {^{17}_{9}F}}->{^{17}_{8}{\rm {O}}}+e^{+}+\nu _{e};}}}$
${\displaystyle {\ce {quad\quad {\rm {^{17}_{8}O}}+p->{\rm {^{18}_{9}F}}+\gamma ;}}}$
${\displaystyle {\ce {quad\quad \quad {\rm {^{18}_{9}F}}->{^{18}_{8}{\rm {O}}}+e^{+}+\nu _{e};}}}$
${\displaystyle {\ce {quad\quad \quad \ {\rm {^{18}_{8}O}}+p->{\rm {^{15}_{7}N}}+{\rm {^{4}_{2}He}}}}}$.

${\displaystyle {\ce {{\rm {IV.}}\ \ {\rm {^{16}_{8}O}}+p->{\rm {^{17}_{9}F}}+\gamma ;}}}$
${\displaystyle {\ce {quad\quad \ \ \ {\rm {^{17}_{9}F}}->{^{17}_{8}{\rm {O}}}+e^{+}+\nu _{e};}}}$
${\displaystyle {\ce {quad\quad {\rm {^{17}_{8}O}}+p->{\rm {^{18}_{9}F}}+\gamma ;}}}$
${\displaystyle {\ce {quad\quad \ \ \ {\rm {^{18}_{9}F}}->{^{18}_{8}{\rm {O}}}+e^{+}+\nu _{e};}}}$
${\displaystyle {\ce {quad\quad {\rm {^{18}_{8}O}}+p->{\rm {^{19}_{9}F}}+\gamma ;}}}$
${\displaystyle {\ce {quad\quad \quad {\rm {^{19}_{9}F}}+p->{^{16}_{8}{\rm {O}}}+{\rm {^{4}_{2}He}}}}}$.

Здесь ${\displaystyle p\ -}$ протон, ${\displaystyle e^{+}\,-}$ позитрон, ${\displaystyle \gamma \ -}$ фотон, ${\displaystyle \nu _{e}\,-}$ 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 атомного ядра гелия ${\displaystyle {\rm {^{4}_{2}He}}}$ (α-частицы). Итогом каждого цикла является образование из 4 протонов ядра атома ⁴ He 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 углеродно-азотном цикле на каждый цикл IV приходится более 1000 циклов II и III и более 10⁶ циклов I. Наиболее медленной в цикле I оказывается реакция ${\displaystyle {\ce {{\rm {^{14}_{7}N}}+p->{^{15}_{8}{\rm {O}}}+\gamma }}}$, поэтому именно она определяет скорость переработки водорода в гелий и интенсивность энерговыделения в углеродно-азотном цикле.

Для ядерной астрофизики особенно важны такие последствия углеродно-азотного цикла, как превращение почти всех (около 94 %) исходных изотопов C, N, O и F в нуклид ${\displaystyle {\rm {^{14}_{7}N}}}$, а также образование нуклидов ${\displaystyle {\rm {^{13}_{6}C}}}$ и ${\displaystyle {\rm {^{17}_{8}O}}\ -}$ потенциальных источников нейтронов ${\displaystyle n}$ на более поздних стадиях эволюции звёзд в реакциях

${\displaystyle {\ce {{\rm {^{13}_{6}C}}+{\rm {^{4}_{2}He}}->{\rm {^{16}_{8}O}}+n}}}$,

${\displaystyle {\ce {{\rm {^{17}_{8}O}}+{\rm {^{4}_{2}He}}->{\rm {^{20}_{10}Ne}}+n}}}$.