УГЛЕРОДНО-АЗОТНЫЙ ЦИКЛ


УГЛЕРОДНО-АЗОТНЫЙ ЦИКЛ
УГЛЕРОДНО-АЗОТНЫЙ ЦИКЛ

- последовательность термоядерных реакций в звёздах, приводящая к образованию гелия из водорода с участием углерода, азота, кислорода и фтора в качестве катализаторов. У.-а. ц.- осн. источник энергии массивных 5038-63.jpg звёзд на нач. стадиях их существования (см. Эволюция звёзд).Вблизи центра таких звёзд темп-pa достаточно высока для того, чтобы У.-а. ц. был эффективнее водородного цикла. Реакции У.-а. ц. образуют 4 переплетающихся цикла (I-IV), направления обхода к-рых на рис. указаны изогнутыми стрелками. В сокращённой записи эти циклы выглядят следующим образом:

5038-65.jpg

Скорость превращения водорода в гелий и пропорциональная ей мощность выделения энергии определяются в осн. циклом I: ядро 12C захватывает протон (р) и после испускания g-фотона переходит в неустойчивое ядро 13N, распадающееся с испусканием позитрона (е +) и нейтрино (v) и образованием ядра 13C; затем после двух последоват. радиационных захватов протонов и распада неустойчивого ядра О образуется ядро 15N. Это ядро примечательно тем, что для него реакция (р,a ) (захват протона с выбросом a-частицы) протекает с выделением энергии, т. е. является беспороговой и поэтому эффективной при характерных для звёздного вещества низких энергиях частиц (для аналогичных реакций с участием др. изотопов из цикла I потребовались бы протоны с энергиями неск. МэВ. к-рые отсутствуют в звёздном веществе). Реакция 5038-66.jpg С замыкает цикл I. В итоге 4 протона превращаются в a-частицу - ядро 4He. К такому же результату приводят и циклы II-IV.

Взаимодействие протона с ядром 15N иногда заканчивается образованием ядра 16O [примерно на 1000 реакций (р, a) приходится 1 радиац. захват протона], что приводит к двум дополнит. циклам, II и III. Эти циклы протекают прибл. в одинаковом темпе, т. к. сравнимы скорости реакций 5038-67.jpg и 5038-68.jpg, от к-рых зависит их относит. частота. Цикл IV оказывается ещё более редким вследствие того, что скорость реакции 5038-69.jpg F по крайней мере на 3 порядка меньше скорости реакции 5038-70.jpg. В установившемся У.-а. ц. на каждую реализацию цикла IV приходится более 1000 циклов II и III и более 106 циклов I. Хотя циклы II-IV играют второстепенную роль в скорости выделения энергии, они определяют концентрации изотопов 17O и 18O, к-рые на более поздних стадиях эволюции звезды могут вступать в термоядерные реакции с выделением нейтронов. Эти реакции имеют существенное значение для теории нуклеосинтеза. Цикл IV может быть важен для объяснения происхождения 19F.

5038-64.jpg

В У.-а. ц. участвуют все стабильные изотопы С, N, О и F, а также неск. нестабильных изотопов этих элементов (на рис. они отмечены штриховкой). Поэтому в совр. астрофиз. литературе У.-а. ц. часто наз. CNO-циклом (изотопы F имеют очень малые концентрации, и их вклад в общее число изотопов У.-а. ц. мал). Через нек-рое время после начала эволюции массивной звезды У.-а. ц. приходит в равновесное состояние, когда концентрации всех указанных на схеме изотопов принимают практически не зависящие от времени значения. При этом полное число всех изотопов С, N, О и F остаётся равным их нач. числу. Каково бы ни было нач. распределение изотопов этих элементов, У.-а. ц. вырабатывает вполне определённые (зависящие от темп-ры в недрах звезды) концентрации изотопов. T. о., изотопы С, N, О и F не являются в строгом смысле катализаторами - их отношения, вообще говоря, изменяются в процессе установления У.-а. ц., не изменяется лишь их полное число [утечкой этих изотопов через реакцию 19F(p, g)20Ne обычно можно пренебречь].

5038-71.jpg

5038-72.jpg

5038-73.jpg

5038-74.jpg

5038-75.jpg

5038-76.jpg

5038-77.jpg

5038-78.jpg

* Разброс относительных содержаний 18O и 19F связан с неопределённостью скорости реакции 18 О (p, a) 15N.

В табл. приведены параметры реакций осн. цикла I: 5038-79.jpg - полное энерговыделение в реакции; 5038-80.jpg -характерное время протекания реакций (время, за к-рое концентрация вступающего в реакцию изотопа С, N или О уменьшилась бы в е раз, если этот изотоп не восполнялся бы за счёт др. реакций); 5038-81.jpg -средняя и 5038-82.jpg -максимальная энергии испускаемых нейтрино. В последнем столбце приведены также равновесные относит. содержания изотопов У.-а. ц., рассчитанные с учётом всех 4 циклов I-IV. Значения т и содержаний вычислены для темп-ры 3·107 К, плотн. 10 г/см 3 и концентрации водорода по массе X= 0,5, что соответствует физ. условиям в центре типичной звезды спектрального класса В (массой 5038-83.jpg на гл. последовательности (см. Герцшпрунга - Ресселла диаграмма). Относит. содержания обозначены символами самих изотопов, заключёнными в квадратные скобки, и определены как отношения числа частиц данного изотопа к полному числу частиц элементов С, N, О, F в единице объёма.

Наиб. медленной в цикле I оказывается реакция 5038-84.jpg поэтому именно она определяет скорость переработки водорода в гелий и интенсивность энерговыделения в У.-а. ц. В последней строке табл. даётся итог У.-а. ц.: каждый из циклов I-IV приводит к объединению 4 протонов в ядро 4He, при этом выделяется энергия 26,73 МэВ (такая же, как и в водородном цикле), из к-рой ок. 1,7 МэВ (несколько больше, чем в водородном цикле) уносят нейтрино. Характерное время термоядерного сгорания водорода в центре звезды массой 10 5038-85.jpg составляет ок. 2 млн. лет, однако время пребывания этой звезды на гл. последовательности примерно в 10 раз больше. Это связано с существованием у звезды конвективного ядра, значительно превышающего по массе ту область вблизи центра звезды, где протекают термоядерные реакции. Конвекция поставляет в центр. область звезды "свежее" горючее, существенно замедляя скорость уменьшения концентрации водорода. В результате звезда не уходит с гл. последовательности до тех пор, пока не исчерпается весь водород в конвективном ядре.

Для ядерной астрофизики наиб. важны такие последствия У.-а. ц., как превращение почти всех (ок. 94%) исходных изотопов С, N, О и F в 14N, а также образование изотопов 13C и 17O - потенц. источников нейтронов.

Посредством У.-а. ц. водород превращается в гелий не только в недрах массивных звёзд, но и на поверхности звёзд, где могут происходить вспышки термоядерного горения (см. Новые звёзды, Барстеры). В этих случаях У.-а. ц. существенно изменяет свой вид. Связанные со вспышками высокие темп-ры (T5038-86.jpg108 К) приводят к тому, что участвующие в У.-а. ц. радиоакт. ядра, не успев распасться, вступают во взаимодействие с протонами. В результате сеть реакций У.-а. ц. значительно усложняется и меняется характер превращения изотопов С, N, О и F (напр., концентрация ядер 14N может быть уже не очень большой). Такой У.-а. ц. наз. горячим. Вследствие быстрого изменения физ. условий в процессе звёздных вспышек равновесные концентрации изотопов, вообще говоря, не успевают устанавливаться. Поэтому при исследованиях звёздных вспышек приходится проводить трудоёмкие расчёты, учитывающие кинетику ядерных превращений в сложной сети реакций горячего У.-а. ц.

Лит.: Родни У. С., Рольфе С., Горение водорода в массивных звездах, в кн.: Ядерная астрофизика, под ред. Ч. Барнса, Д. Клейтона, Д. Шрамма, пер. с англ., M., 1986. Д. К. Надёжин.

Физическая энциклопедия. В 5-ти томах. — М.: Советская энциклопедия. . 1988.


.

Смотреть что такое "УГЛЕРОДНО-АЗОТНЫЙ ЦИКЛ" в других словарях:

  • УГЛЕРОДНО-АЗОТНЫЙ ЦИКЛ — цепочка термоядерных реакций в звездах, приводящая к синтезу гелия из водорода с участием углерода и азота в качестве катализаторов (ср. Водородный цикл) …   Большой Энциклопедический словарь

  • углеродно-азотный цикл — цепочка термоядерных реакций в звёздах, приводящая к синтезу гелия из водорода с участием углерода и азота в качестве катализаторов (ср. Водородный цикл). * * * УГЛЕРОДНО АЗОТНЫЙ ЦИКЛ УГЛЕРОДНО АЗОТНЫЙ ЦИКЛ, цепочка термоядерных реакций в звездах …   Энциклопедический словарь

  • Углеродно-азотный цикл — Ядерные процессы Радиоактивный распад Альфа распад Бета распад Кластерный распад Двойной бета распад Электронный захват Двойной электронный захват Гамма излучение Внутренняя конверсия Изомерный переход Нейтронный распад Позитронный распад… …   Википедия

  • УГЛЕРОДНО-АЗОТНЫЙ ЦИКЛ — цепочка термо ядерных реакций в звёздах, приводящая к синтезу гелия из водорода с участием углерода и азота в качестве катализаторов (ср. Водородный цикл) …   Естествознание. Энциклопедический словарь

  • ВОДОРОДНЫЙ ЦИКЛ — (протон протонный цикл) последовательность термоядерных реакций в звёздах, приводящая к превращению водорода в гелий без участия катализаторов. В. ц. осн. источник энергии норм. однородных звёзд, в частности Солнца. Последовательность реакций В.… …   Физическая энциклопедия

  • Физика звёзд — Физика звезд  одна из отраслей астрофизики, изучающая физическую сторону звезд (масса, плотность, …). Содержание 1 Размеры, массы, плотность, светимость звезд 1.1 Масса звёзд …   Википедия

  • СОЛНЦЕ — звезда, вокруг которой обращаются Земля и другие планеты Солнечной системы. Солнце играет исключительную роль для человечества как первоисточник большинства видов энергии. Жизнь в известной нам форме была бы невозможна, если бы Солнце светило… …   Энциклопедия Кольера

  • НЕЙТРОНИЗАЦИЯ ВЕЩЕСТВА — процесс превращения протонов р в нейтроны n как в свободном, так и в связ. состоянии (в ат. ядрах). Н. в. определяется законами слабого взаимодействия и обусловлена гл. обр. электронными захватами, хотя нек рый вклад дают и позитронные распады.… …   Физическая энциклопедия

  • НУКЛЕОСИНТЕЗ — (от лат. nucleus ядро и греч. synthesis соединение, составление), цепочка ядерных реакций, ведущая к образованию тяжёлых ат. ядер из других, более лёгких ядер. Теория Н. стремится объяснить распространённость (иногда говорят обилие) хим.… …   Физическая энциклопедия

  • Гелий — У этого термина существуют и другие значения, см. Гелий (значения). 2 Водород ← Гелий → Литий …   Википедия