Trijų alfa dalelių procesas
|
Šiam straipsniui ar jo daliai trūksta išnašų į patikimus šaltinius. Jūs galite padėti Vikipedijai pridėdami tinkamas išnašas su šaltiniais. |
Trijų alfa dalelių procesas (kai kada jis dar vadinamas helio degimo reakcijos arba trijų alfa dalelių reakcija) – branduolinių reakcijų grandinėlė, kurios metu trys helio branduoliai (alfa dalelės) suformuoja anglies branduolį (kita astrofizikai svarbi helio degimo reakcijų grandinė yra žinoma kaip alfa procesas).
| Branduoliniai procesai |
|---|
|
|
Šios branduolių sąlajos reakcijos gali efektyviai vykti tik temperatūroms esant daugiau nei 100000000 kelvinų ir esant didelei helio branduolių koncentracijai. Iš esmės tai gali vykti tik vėlyvesnių evoliucijos stadijų žvaigždėse, kur dėka protonų ciklo ir CNO ciklo reakcijų žvaigždės šerdyje jau prigaminta pakankamai helio. Pabaigus degti vandeniliui, šerdis ima trauktis, tol, kol jos temperatūra pakyla iki tiek, kad prasideda helio virtimo anglimi procesas (trijų alfa dalelių procesas).
| 4He + 4He | ↔ 8Be + γ | - 91,78 keV | (Endoterminis procesas) |
| 8Be + 4He | → 12C + γ | + 7,367 MeV | (Egzoterminis procesas) |
Abiejų reakcijų metu išsiskiria 7,275 MeV energijos.
8Be susidarantis pirmosios reakcijos metu yra nestabilus ir suskyla į du helio branduolius per 2,6×10-16 sekundžių. Tačiau šio proceso metu, kad ir nedidelis, tačiau pastovus 8Be kiekis yra sukuriamas. Taip kad egzistuoja tikimybė, jog 8Be pagaus alfa dalelę ir susidarys 12C. Šis trijų alfa dalelių virtimas 12C ir yra vadinamas trijų alfa dalelių procesas arba trijų alfa dalelių reakcija (kadangi antroji reakcija turi vykti beveik akimirksniu su pirmąja).
Kadangi trijų alfa dalelių reakcijos tikimybė yra maža, anglis yra gaminama lėtai. Dėl to Didžiojo sprogimo metu anglies beveik ir nebuvo sukurta, kadangi per kelias minutes po jo temperatūra nukrito žemiau ribos, reikalingos branduolių sąlajai.
Taigi, trijų alfa dalelių reakcijos tikimybė yra labai maža. Tačiau 8Be nesužadintos būsenos energija yra kaip tik lygi dviejų alfa dalelių energijai. Antrajame žingsnyje, 8Be + 4He turi energiją, lygią 12C sužadintos būsenos energijai. Šie rezonansai smarkiai padidina antrosios reakcijos tikimybę. Jo buvimą numatė Fredas Hoilis, nes kitaip nebuvo įmanoma paaiškinti, iš kur susidaro tiek anglies žvaigždėse.
Kaip šio proceso pasekmė, anglies atomas gali susilieti su kitu helio branduoliu. Šios reakcijos metu susikuria stabilus deguonies izotopas ir išlaisvinama energija:
- 12C + 4He → 16O + γ
Sekantis žingsnis, kurio metu deguonies branduolys susilietų su alfa dalele ir susiformuotų neonas yra mažiau tikėtinas dėl branduolių sukinių sudėties, todėl sunkesnieji elementai nebegali taip lengvai formuotis žvaigždėse.
Todėl branduolinių reakcijų žvaigždėse metu susikuria daug anglies ir deguonies, tačiau tik maža dalis šių elementų virsta neonu ir sunkesniais elementais. Šie anksčiau minėti branduoliniai rezonansai kartais pateikiami kaip antropinio principo pagrindimas.
Branduolių sąlajos procesai gali pagaminti elementus tik iki geležies. Sunkesni nei geležis elementai daugiausia gaminami neutronų pagavimo metu. Apie pusę elementų pagaminama S proceso (lėtas neutronų pagavimas), kita dalis pagaminama R proceso metu (greitas neutronų pagavimas, tikėtiniausiai vykstantis supernovų sprogimo metu).
Reakcijų greičiai ir žvaigždžių evoliucija
redaguotiTrijų alfa dalelių procesas smarkiai priklauso nuo žvaigždžių medžiagos temperatūros ir tankio. Energija, išlaisvinama šio proceso metu yra apytiksliai proporcinga temperatūrai, pakeltai 30-uoju laipsniu ir taip pat medžiagos tankio kvadratui. Taip, pavyzdžiui, protonų ciklo metu gaminama energija proporcinga temperatūros ketvirtajam laipsniui ir tiesiai proporcinga tankiui.
Ši stipri temperatūrinė priklausomybė ypač svarbi vėlyvose žvaigždžių evoliucijos, būtent raudonųjų milžinių, stadijose.
Mažesnės masės žvaigždėse helis, besikaupiantis žvaigždės šerdyje toliau nesispaudžia dėl išsigimusių elektronų dujų slėgio. Šerdies tūris tuo būdu priklauso tik nuo tankio, bet ne nuo slėgio. Todėl, kai mažesnėje žvaigždėje prasideda trijų alfa dalelių procesas, šerdies temperatūra gali tik augti. Dėl to reakcijų greitis didėja toliau, kol jos tampa beveik nevaldomomis. Šis procesas astronomijoje žinomas kaip helio žybsnis arba Salpyterio procesas. Šis žybsnis trunka tik kelias minutes, bet išdegina 60-80 % helio žvaigždės šerdyje.
Didesnės masės žvaigždėse helio degimas vyksta apvalkale, supančiame išsigimusios anglies šerdį. Kadangi helio apvalkalas nėra išsigimęs, energija, išsiskirianti degant heliui pakelia temperatūrą ir priverčia žvaigždę išsiplėsti. Šis išsiplėtimas ataušina helio sluoksnį, reakcijos sulėtėja ir žvaigždė ima trauktis vėl. Šis ciklinis procesas verčia žvaigždę tapti kintamąja. Galų gale išoriniai sluoksniai yra numetami.
Atradimas
redaguotiNors trijų alfa dalelių procesas smarkiai priklauso nuo 8Be + 4He ir 12C energijų rezonanso, iki 1952 tokių energijos lygmenų nebuvo žinoma. Astrofizikas Fredas Hoilis, atsižvelgdamas į faktą, kad anglis vis tik yra labai paplitusi, iškėlė tokio rezonanso buvimo hipotezę. Branduolinės fizikos specialistas Willy Fowler sutiko, kad darant laboratorinius tyrimus šis rezonansas galėjo būti netyčia praleistas. Po neilgų paieškų Kalifornijos Technologijos instituto laboratorijose jo vadovaujama grupė ir surado šį rezonansą ties 7,65 Mev.