A proton-proton lánc , más néven " PP lánc ", a magfúziós reakciók két láncának egyike, amelyek révén a csillagok energiát termelnek, a másik reakció a szén-nitrogén ciklus, oxigén . A viszonylag kis tömegű csillagokban uralkodik, például a Napé vagy annál kevesebb.
A proton-proton lánc első reakciói az 1 H hidrogén fúziója 3 He héliumba . Az új reakciók három ágban modelleződnek, majd új magokat egyesítenek, miközben létrehozzák őket, mások pedig megosztják őket . Ezek az ágak mind a hélium 4 He létrejöttéhez vezetnek .
Jean Perrin az 1920-as években fejtette ki azt az elméletet, miszerint négy proton héliummaggá történő fúziója a csillagok energiatermelésének alapelve . Abban az időben és a kvantummechanika kifejlesztése előtt a Nap hőmérsékletét túl alacsonynak tartották ahhoz, hogy legyőzze az ezen elmélet által feltételezett Coulomb-akadályt . Mi Aztán kiderült, hogy a alagút hatás hagyjuk protonok át rajta hőmérsékleten alacsonyabb által jósolt klasszikus mechanika .
Az első lépés a fúziós két 1 H proton (első izotóp a hidrogén atommagok ) be 2 H deutérium , a kibocsátási egy pozitron és egy neutrínó , egyik proton hogy megváltozott egy neutron ( bomlási β + ).
A két hidrogénmag közötti elektrosztatikus taszítás ( Coulomb-gát ) leküzdéséhez meg kell követelni, hogy a kezdeti magok nagy mennyiségű energiát kapjanak, ezért a reakcióhoz magas hőmérsékletekre van szükség ahhoz, hogy megvalósulhasson, ráadásul szükséges. gyenge kölcsönhatás a két proton közötti érintkezés pillanatában, egyiküket neutronná alakítva, különben elválnak. Ez megmagyarázza az első szakasz lassúságát, amely a gyenge kölcsönhatás nagyon alacsony intenzitásával függ össze, és megmagyarázza, hogy a nap miért nem fogyasztja el teljes üzemanyagát gyorsan. A pozitron azonnal megsemmisíti az egyik elektronok egy hidrogénatom és azok a tömeg-energia evakuáljuk formájában két gamma- fotonok .
1 H + 1 H → 2 H + e + + ν e + 0,42 MeV (pp kölcsönhatás) e + + e - → 2 y + 1,022 MeV 1 H + 1 H + e - → 2 H + ν e + 1,442 MeV (pep kölcsönhatás)Ezt követően az első lépésben előállított deutérium összeolvadhat egy új hidrogénmaggal, így hélium 3 He izotópot állíthat elő :
2 H + 1 H → 3 He + γ + 5,493 MeVÁltalánosságban elmondható, hogy a proton-proton fúzió csak akkor valósulhat meg, ha a protonok hőmérséklete (energiája) meghaladja a néhány millió Kelvint , hogy képesek legyőzni kölcsönös Coulomb-taszításukat. Ez a különbség a barna törpékkel, amelyek csak a deutériumot képesek összeolvasztani, mivel a DD reakció keresztmetszete nagyobb, mint a pp reakcióé.
Végül, több millió év után, amikor a hélium 3 Csak reakció eredményeként létezik, elegendő mennyiséget ér el Ahhoz, hogy elindítsa saját fúziós reakcióját. Az új reakciók ezután magukban foglalják ezeket a magokat, valamint az új elemek reakcióit, amelyek maguk is ezekből fakadnak. A modellezett reakciók három, PP1 , PP2 és PP3 elnevezésű ága szerint folytatják . Az első a másik kettő számára szükséges a hélium előállításához 4 He .
Ezen alláncok mindegyike a csillagmag meghatározott hőmérsékleti tartományában (maga a hőmérséklet fenntartva és korlátozva a reakciók ereje uralkodik . Például a lítium 7 Li mag Coulomb-gátját egy 1 H proton felé (fúziójuk a PP2 elágazás része) át lehet lépni tizennégy millió Kelvin értékről , amely megfelel:
Figyelembe kell venni a szubsztrátumban részt vevő egyes magok Coulomb-gátját . Például ugyanazon PP2 lánc esetében az egyik hélium 3 He sejtmagja egy másik kettős töltésű hélium 4 He sejtmagé .
A teljes PP-lánc által generált energia az egyes reakciók túlsúlyától és hatásától függ a többivel (egyesek más reakciókba táplálkoznak, a megfelelő elágazásokkal). A nukleoszintézis hasonló eloszlást követ .
| Dugaszolt | Reakciók | γ | ν e | e + | Energia ( MeV ) | Nukleoszintézis |
|---|---|---|---|---|---|---|
| PP1 | 1 H + 1 H → 2 H + e + + ν e | 1 | 1 | 0,42 | 2 óra | |
| PP1 | e + + e - → 2 γ | 2 | 1.022 | így | ||
| PP1 | 2 H + 1 H → 3 He + γ | 1 | 5.493 | 3 Ő | ||
| PP1 | 3 He + 3 He → 4 He + 1 H + 1 H | 12.859 | 4 Ő | |||
| PP2 | 3 Ő + 4 Ő → 7 Be + γ | 1 | 1.59 | 7 Legyen | ||
| PP2 | 7 Be + e - → 7 Li + ν e | 1 | 0,862 | 7 Li | ||
| PP2 | 7 Li + 1 H → 4 He + 4 He | 17.35 | 4 Ő | |||
| PP3 | 3 Ő + 4 Ő → 7 Be + γ | 1 | 1.59 | 7 Legyen | ||
| PP3 | 7 Be + 1 H → 8 B + γ | 1 | 8 B | |||
| PP3 | 8 B → 8 Be + e + + ν e | 1 | 1 | 8 Legyen | ||
| PP3 | 8 Legyen → 4 Ő + 4 Ő | Összesen: 18,21 | 4 Ő |
10–14 millió kelvin hőmérsékleten a PP1 elágazás a domináns. A teljes PP1 reakció , azaz a hidrogén fúziója a következőket tartalmazza:
Ezután mind a négy protont és két elektront előállítja kezdeti, nettó összeg az energia 26.73 MeV = 2 × 1,442 MeV + 2 × 5,493 MeV + 12,859 MeV , amelynek 2,2%, azaz 0,59 MeV , az átlagos energia neutrínók.
PP2A PP2 lánc 14-23 millió Kelvin nagyságrendű hőmérsékleten domináns, három fúziós reakciót modellez:
A PP3 lánc domináns, ha a hőmérséklet meghaladja a 23 millió Kelvint, négy reakciót modellez:
Az első protonfúziós reakció relatív lassúsága (Az üzemanyag rendelkezésre álló mennyiségéhez képest ) a nagyon kis keresztmetszetnek köszönhető (a gyenge kölcsönhatás előfordulásának valószínűsége ). Ennek eredményeként a hidrogén maradt az univerzum fő eleme ; ha sokkal gyorsabb lett volna, a hidrogén szinte teljes egészében elfogyott és átalakult (legalábbis héliummá és nehezebb elemekké) az ősmag-nukleoszintézis során .
Annak a csillagnak a hőmérsékletétől függően, ahol a reakció lejátszódik, az egyik vagy másik részreakció prevalenciája (a hőmérséklet függvényében ugyanaz az elterjedési mechanizmus érvényes a köztük lévő fúziók reakcióskálájára is) a termelés elemei különböző természetű, ritkaságok. A kisebb tömegű, alacsonyabb maghőmérsékletű csillagok nem termelik azt az energiát, amely a CNO (szén-nitrogén-oxigén) körforgás Coulomb-potenciális gátjának leküzdéséhez szükséges.
Például egy csillag, melynek belső hőmérséklet nem haladja meg a tízmillió Kelvin, a PP1 részsztring nem lesz nagyon aktív, és a csillag ezért kicsi az hélium 4 He. Ugyanezen okból az e reakció által termelt energiának a hőmérséklet függvényében változó spektrumjellemzői lesznek . Ezen elektromágneses spektrumok elemzése és összehasonlítása lehetővé teszi a csillagok besorolását .
A Napban előforduló proton-proton lánc meghatározott körülményei között (sűrűség, hőmérséklet; a protonok kezdeti mennyisége 1 H) kezdeti élettartama hét milliárd év .
A PP3 szubsztrátum nem a Nap elsődleges energiaforrása, mivel maghőmérséklete megközelíti a tizenötmillió Kelvint, és a PP3 szubsztrátum domináns, ha a hőmérséklet meghaladja a huszonhárommillió Kelvint. Azonban nagyon fontos a szoláris neutrino-probléma szempontjából, mert ez generálja a legtöbb energikus neutrínót (a keresztmetszet a neutrínók energiájával növekszik).
A számos neutrínók kimutatható a Sun jelentősen elmarad milyen elméleti számítások azt jósolják, hogy a proton-proton lánc, ez a probléma a napenergia neutrínók: a helioseismological irodalom , különösen a megfigyelések a hullámok nyomása a Sun, azt jelezte, hogy a Nap nyomása és hőmérséklete nagyon közel áll az elmélet által elvárthoz, ami hitelesnek tartja a proton-proton lánc jó modellezését.
Ez vezetett Ziro Maki , Masami Nakagawa és Szakata Sóicsi ihlette munkája Bruno Pontecorvo , azt hinni, hogy a probléma a napenergia neutrínók ered váratlan viselkedését a neutrínók maguk után a termelés; ezt a hipotézist később megerősítette a neutrino-rezgések jelenségének felfedezése a japán Super-Kamiokande detektorban (amelyet elsősorban a proton bomlásának megfigyelésére szántak), igazolva, hogy a neutrínók három ízének tömege eltér, és ezért a három közül legalább kettőnek nem nulla a tömege.