CNO-цикл

Шаблон:Перенаправление Шаблон:Ядерные процессы CNO-цикл — термоядерная реакция превращения водорода в гелий, в которой углерод, кислород и азот выступают как катализаторы. Считается одним из основных процессов термоядерного синтеза в массивных звёздах главной последовательности.

Процесс углеродного сгорания

CNO-цикл — это совокупность трёх сцепленных друг с другом или, точнее, частично перекрывающихся циклов. Самый простой из них — CN-цикл (цикл Бете, или углеродный цикл) — был предложен в 1938 году Хансом Бете<ref>H. A. Bethe: Energy Production in Stars. Physical Review 55 (1939) 434—456, doi:10.1103/PhysRev.55.434.</ref> и независимо от него Карлом Вайцзеккером<ref>C. F. von Weizsäcker: Über Elementumwandlungen im Innern der Sterne. Physikalische Zeitschrift 38 (1937) 176—191 und 39 (1938) 633—646.</ref>.

Основной путь реакции CN-цикла<ref name="boyd08">An Introduction to Nuclear Astrophysics, By Richard N. Boyd, University of Chicago Press, Jun 1, 2008, ISBN 978-0-226-06971-5; page 211</ref> (дополнительно указано характерное время протекания реакций)<ref name="phys_enc_736">Статья УГЛЕРОДНЫЙ ЦИКЛ, Физический энциклопедический словарь. — М.: Советская энциклопедия. Главный редактор А. М. Прохоров. 1983.</ref>:

¹²C + p	→	¹³N + γ	+1,94 М эВ	~1,3Шаблон:E лет
¹³N	→	¹³C + e⁺ + ν_e	+2,22 МэВ	~7 минут	(либо +1,20 МэВ без учёта аннигиляции e⁺; T_½ для ¹³N = 9,96 мин<ref name="half-life-cn">Principles and Perspectives in Cosmochemistry, Springer, 2010, ISBN 978-3-642-10368-1, page 233</ref>)
¹³C + p	→	¹⁴N + γ	+7,55 МэВ	~2,7Шаблон:E лет
¹⁴N + p	→	¹⁵O + γ	+7,30 МэВ	~3,2Шаблон:E лет
¹⁵O	→	¹⁵N + e⁺ + ν_e	+2,75 МэВ	~82 секунды	(либо +1,73 МэВ без учёта аннигиляции e⁺; T_½ для ¹⁵O = 122,24 с<ref name="half-life-cn"/>)
¹⁵N + p	→	¹²C + ⁴He	+4,96 МэВ	~1,1Шаблон:E лет

Суть этого цикла состоит в непрямом синтезе α-частицы из четырёх протонов при их последовательных захватах ядрами, начиная с ¹²C.

Процессы кислородного сгорания

В реакции с захватом протона ядром ¹⁵N возможен ещё один исход (с вероятностью примерно 1/1000): образование ядра ¹⁶О и рождение нового цикла, называемого NO I-циклом.

Он имеет в точности ту же структуру, что и CN-цикл:

¹⁴N + ¹H	→	¹⁵O + γ	+7,29 М эВ	(3,2Шаблон:E лет<ref name="phys_enc_736"/>)
¹⁵O	→	¹⁵N + e⁺ + ν_e	+2,76 МэВ	(82 секунды)
¹⁵N + ¹H	→	¹⁶O + γ	+12.13 МэВ
¹⁶O + ¹H	→	¹⁷F + γ	+0,60 МэВ
¹⁷F	→	¹⁷O + e⁺ + ν_e	+2,76 МэВ
¹⁷O + ¹H	→	¹⁴N + ⁴He	+1,19 МэВ

NO I-цикл повышает темп энерговыделения в CN-цикле, увеличивая число ядер-катализаторов CN-цикла.

Последняя реакция этого цикла также имеет два варианта протекания, один из которых даёт начало ещё одному циклу — NO II-циклу:

¹⁵N + ¹H	→	¹⁶O + γ	+12.13 МэВ
¹⁶O + ¹H	→	¹⁷F + γ	+0,60 МэВ
¹⁷F	→	¹⁷O + e⁺ + ν_e	+2,76 МэВ
¹⁷O + ¹H	→	¹⁸F + γ	+5,61 МэВ
¹⁸F	→	¹⁸O + e⁺ + ν_e	+ 1.656 МэВ
¹⁸O + ¹H	→	¹⁵N + ⁴He	+3, 98 МэВ

Таким образом, циклы CN, NO I и NO II образуют тройной CNO-цикл.

Имеется ещё один очень медленный четвёртый цикл, т. н. OF-цикл, но его роль в выработке энергии ничтожно мала — на один такой цикл приходится примерно по тысяче циклов NO I и NO II и более миллиона циклов CN (это объясняется тем, что сечение реакции ¹⁷O + ¹H → ¹⁸F + γ на три порядка ниже, чем ¹⁷O + ¹H → ¹⁴N + ⁴He)<ref>Шаблон:Cite web</ref>. Однако этот цикл важен для объяснения происхождения ¹⁹F.

¹⁷O + ¹H	→	¹⁸F + γ	+ 5.61 МэВ
¹⁸F	→	¹⁸O + e⁺ + ν_e	+ 1.656 МэВ
¹⁸O + ¹H	→	¹⁹F + γ	+ 7.994 МэВ
¹⁹F + ¹H	→	¹⁶O + ⁴He	+ 8.114 МэВ
¹⁶O + ¹H	→	¹⁷F + γ	+ 0.60 МэВ
¹⁷F	→	¹⁷O + e⁺ + ν_e	+ 2.76 МэВ

При взрывном горении водорода в поверхностных слоях звёзд, например, при вспышках сверхновых, могут развиваться очень высокие температуры, и характер CNO-цикла резко меняется. Он превращается в так называемый горячий CNO-цикл, в котором реакции идут очень быстро и запутанно.