Алфа-процес

Создавање на елементи потешки од јаглерод со алфа-процесот.

Алфа-процес (алфа-зафат или алфа-скала) — една од двете класи на реакции на јадрено соединување со кои ѕвездите го претвораат хелиумот во потешки елементи. Другата класа е циклус од реакции наречен троен алфа-процес, кој троши само хелиум, а создава јаглерод. Алфа-процесот најчесто се одвива во масивни ѕвезди и супернови.

На ова му претходи водородно соединување, кое го создава хелиумот кое го снабдува тројниот алфа-процес и алфа-скалата. Откако тројниот алфа-процес ќе создаде доволно јаглерод, алфа-скалата почнува и доаѓа до соединувачки реакции на сè потешки елементи, по долунаведениот редоеслед. Секој чекор го троши само производот од претходната реакција и хелиум. Подоцнежните реакции кои може да почнат во било која ѕвезда, почнуваат додека претходната фаза сè уште трае во надворешните слоеви на ѕвездата.

$\begin{array}{cc}{\phantom{A}}_{\phantom{6}}^{\phantom{12}}{\phantom{A}}_{\phantom{2}6}^{\phantom{2}12}\mathrm{C}+{\phantom{A}}_{\phantom{2}}^{\phantom{4}}{\phantom{A}}_{\phantom{2}2}^{\phantom{2}4}\mathrm{H}\mathrm{e}⟶{\phantom{A}}_{\phantom{8}}^{\phantom{16}}{\phantom{A}}_{\phantom{2}8}^{\phantom{2}16}\mathrm{O}+\mathrm{\gamma },& E=\mathrm{𝟩},\mathrm{𝟣}\mathrm{𝟨}𝖬𝖾𝖵\\ {\phantom{A}}_{\phantom{8}}^{\phantom{16}}{\phantom{A}}_{\phantom{2}8}^{\phantom{2}16}\mathrm{O}+{\phantom{A}}_{\phantom{2}}^{\phantom{4}}{\phantom{A}}_{\phantom{2}2}^{\phantom{2}4}\mathrm{H}\mathrm{e}⟶{\phantom{A}}_{\phantom{10}}^{\phantom{20}}{\phantom{A}}_{\phantom{2}10}^{\phantom{2}20}\mathrm{N}\mathrm{e}+\mathrm{\gamma },& E=\mathrm{𝟦},\mathrm{𝟩}\mathrm{𝟥}𝖬𝖾𝖵\\ {\phantom{A}}_{\phantom{10}}^{\phantom{20}}{\phantom{A}}_{\phantom{2}10}^{\phantom{2}20}\mathrm{N}\mathrm{e}+{\phantom{A}}_{\phantom{2}}^{\phantom{4}}{\phantom{A}}_{\phantom{2}2}^{\phantom{2}4}\mathrm{H}\mathrm{e}⟶{\phantom{A}}_{\phantom{12}}^{\phantom{24}}{\phantom{A}}_{\phantom{2}12}^{\phantom{2}24}\mathrm{M}\mathrm{g}+\mathrm{\gamma },& E=\mathrm{𝟫},\mathrm{𝟥}\mathrm{𝟤}𝖬𝖾𝖵\\ {\phantom{A}}_{\phantom{12}}^{\phantom{24}}{\phantom{A}}_{\phantom{2}12}^{\phantom{2}24}\mathrm{M}\mathrm{g}+{\phantom{A}}_{\phantom{2}}^{\phantom{4}}{\phantom{A}}_{\phantom{2}2}^{\phantom{2}4}\mathrm{H}\mathrm{e}⟶{\phantom{A}}_{\phantom{14}}^{\phantom{28}}{\phantom{A}}_{\phantom{2}14}^{\phantom{2}28}\mathrm{S}\mathrm{i}+\mathrm{\gamma },& E=\mathrm{𝟫},\mathrm{𝟫}\mathrm{𝟪}𝖬𝖾𝖵\\ {\phantom{A}}_{\phantom{14}}^{\phantom{28}}{\phantom{A}}_{\phantom{2}14}^{\phantom{2}28}\mathrm{S}\mathrm{i}+{\phantom{A}}_{\phantom{2}}^{\phantom{4}}{\phantom{A}}_{\phantom{2}2}^{\phantom{2}4}\mathrm{H}\mathrm{e}⟶{\phantom{A}}_{\phantom{16}}^{\phantom{32}}{\phantom{A}}_{\phantom{2}16}^{\phantom{2}32}\mathrm{S}+\mathrm{\gamma },& E=\mathrm{𝟨},\mathrm{𝟫}\mathrm{𝟧}𝖬𝖾𝖵\\ {\phantom{A}}_{\phantom{16}}^{\phantom{32}}{\phantom{A}}_{\phantom{2}16}^{\phantom{2}32}\mathrm{S}+{\phantom{A}}_{\phantom{2}}^{\phantom{4}}{\phantom{A}}_{\phantom{2}2}^{\phantom{2}4}\mathrm{H}\mathrm{e}⟶{\phantom{A}}_{\phantom{18}}^{\phantom{36}}{\phantom{A}}_{\phantom{2}18}^{\phantom{2}36}\mathrm{A}\mathrm{r}+\mathrm{\gamma },& E=\mathrm{𝟨},\mathrm{𝟨}\mathrm{𝟦}𝖬𝖾𝖵\\ {\phantom{A}}_{\phantom{18}}^{\phantom{36}}{\phantom{A}}_{\phantom{2}18}^{\phantom{2}36}\mathrm{A}\mathrm{r}+{\phantom{A}}_{\phantom{2}}^{\phantom{4}}{\phantom{A}}_{\phantom{2}2}^{\phantom{2}4}\mathrm{H}\mathrm{e}⟶{\phantom{A}}_{\phantom{20}}^{\phantom{40}}{\phantom{A}}_{\phantom{2}20}^{\phantom{2}40}\mathrm{C}\mathrm{a}+\mathrm{\gamma },& E=\mathrm{𝟩},\mathrm{𝟢}\mathrm{𝟦}𝖬𝖾𝖵\\ {\phantom{A}}_{\phantom{20}}^{\phantom{40}}{\phantom{A}}_{\phantom{2}20}^{\phantom{2}40}\mathrm{C}\mathrm{a}+{\phantom{A}}_{\phantom{2}}^{\phantom{4}}{\phantom{A}}_{\phantom{2}2}^{\phantom{2}4}\mathrm{H}\mathrm{e}⟶{\phantom{A}}_{\phantom{22}}^{\phantom{44}}{\phantom{A}}_{\phantom{2}22}^{\phantom{2}44}\mathrm{T}\mathrm{i}+\mathrm{\gamma },& E=\mathrm{𝟧},\mathrm{𝟣}\mathrm{𝟥}𝖬𝖾𝖵\\ {\phantom{A}}_{\phantom{22}}^{\phantom{44}}{\phantom{A}}_{\phantom{2}22}^{\phantom{2}44}\mathrm{T}\mathrm{i}+{\phantom{A}}_{\phantom{2}}^{\phantom{4}}{\phantom{A}}_{\phantom{2}2}^{\phantom{2}4}\mathrm{H}\mathrm{e}⟶{\phantom{A}}_{\phantom{24}}^{\phantom{48}}{\phantom{A}}_{\phantom{2}24}^{\phantom{2}48}\mathrm{C}\mathrm{r}+\mathrm{\gamma },& E=\mathrm{𝟩},\mathrm{𝟩}\mathrm{𝟢}𝖬𝖾𝖵\\ {\phantom{A}}_{\phantom{24}}^{\phantom{48}}{\phantom{A}}_{\phantom{2}24}^{\phantom{2}48}\mathrm{C}\mathrm{r}+{\phantom{A}}_{\phantom{2}}^{\phantom{4}}{\phantom{A}}_{\phantom{2}2}^{\phantom{2}4}\mathrm{H}\mathrm{e}⟶{\phantom{A}}_{\phantom{26}}^{\phantom{52}}{\phantom{A}}_{\phantom{2}26}^{\phantom{2}52}\mathrm{F}\mathrm{e}+\mathrm{\gamma },& E=\mathrm{𝟩},\mathrm{𝟫}\mathrm{𝟦}𝖬𝖾𝖵\\ {\phantom{A}}_{\phantom{26}}^{\phantom{52}}{\phantom{A}}_{\phantom{2}26}^{\phantom{2}52}\mathrm{F}\mathrm{e}+{\phantom{A}}_{\phantom{2}}^{\phantom{4}}{\phantom{A}}_{\phantom{2}2}^{\phantom{2}4}\mathrm{H}\mathrm{e}⟶{\phantom{A}}_{\phantom{28}}^{\phantom{56}}{\phantom{A}}_{\phantom{2}28}^{\phantom{2}56}\mathrm{N}\mathrm{i}+\mathrm{\gamma },& E=\mathrm{𝟪},\mathrm{𝟢}\mathrm{𝟢}𝖬𝖾𝖵\end{array}$

Енергијата произведена во секоја реакција, Предлошка:Mvar, е претежно во облик на гама-зраци (Предлошка:Mvar), а мал дел отпаѓа на елемент создаден како спореден производ, како додаден импулс.

Врзивна енергија по нуклеон за разни нуклиди. Не е прикажан Предлошка:SupNi, со највисоката врзивна енергија од 8,7945 MeV.

Често погрешно се претпоставува дека гореприкажаната низа завршува со ${}_{28}^{56}\mathrm{N}\mathrm{i}$ (или ${}_{26}^{56}\mathrm{F}\mathrm{e}$, кој е распаден производ на ${}_{28}^{56}\mathrm{N}\mathrm{i}$) бидејќи тој е најцврсто сврзаниот нуклид — т.е.. нуклидот со најголема енергија на сврзување по нуклеон — и создавањето на потешки јадра би трошело енергија (би било ендотермно) наместо да ја ослободува (егзотермно). ${}_{28}^{62}\mathrm{N}\mathrm{i}$ (никел-62) е впрочем најцврсто сврзаниот нуклид во смисла на врзивна енергија (иако ${}^{56}\text{Fe}$ има помала енергија или маса по нуклеон). Реакцијата ${}^{56}\text{Fe}+{}^4\text{He}\to {}^{60}\text{Ni}$ е впрочем егзотермна, и додавањето на алфи продолжува да биде егзотермно сè до ${}_{50}^{100}\mathrm{S}\mathrm{n}$,Предлошка:AME2020 II но сепак низата не завршува со железо. Таа запира пред да создаде елементи потешки од никел бидејќи условите во ѕвездената внатрешност предизвикуваат фотораспадот да се наметне врз алфа-процесот околу железото. Ова води до поголемо производство на ${}_{28}^{56}\mathrm{N}\mathrm{i}$ отколку ${}_{28}^{62}\mathrm{N}\mathrm{i}.$

Сите овие реакции имаат многу ниска стапка на темпеаратурите и притисоците во ѕвездите и затоа немаат значително енергетско учество во вкупното енергопроизвдство на ѕвездата. Се јавуваат уште потешко со елементи потешки од неонот (Предлошка:Nobr) поради поголемата Кулонова пречка.

Алфапроцесни елементи

Алфапроцесни елементи (или алфа-елементи) се елементи наречени по фактот што нивните најзастапени изотопи се целобројни кратна на четири — масата на хелиумското јадро (алфа-честичката). Овие изотопи се нарекуваат алфа-нуклиди.

Логаритам на релативното производство на енергија (Предлошка:Mvar) во соединувачките процеси на ПП-ланецот, CNO-циклусот и тројниот алфа-процес на различни температури (Предлошка:Mvar). Испрекинатата линија ја покажува збирната енергија создадена од процесите на ПП и CNO во ѕвездата.

• Стабилни алфа-елементи се: C, O, Ne, Mg, Si и S.
• Елементите Ar и Ca се „стабилни при набљудување“. Тие се синтетизираат со алфа-зафат пред фазата на силициумско соединување, што води до Предлошка:Nobr
• Si и Ca се чисти алфапроцесни елементи.
• Mg може одделно да се троши од реакции на протонски зафат.

Статусот на кислородот (O) е спорен — некои автори го сметаат за алфа-елемент, а други мислат дека не е. O со сигурност е алфа-елемент во нискометалични ѕвезди од населението II: Се создава во супернови од типот II и неговото збогатување е во потесна врска со збогатувањето во други алфапроцесни елементи.

Понекогаш C и N се сметаат за алфапроцесни елементи бидејќи, како O, тие се синтетизираат во јадрени реакции на алфа-зафат, но нивниот статус не е недвосмислен: Секој од трите елементи се создава (и троши) со CNO-циклусот, кој може да се одвива на температури многу пониски од оние каде процесите на алфа-скалата почнуваат да произведуваат значитечни количества на алфа-елементи (вклучувајќи C, N и O). Така, исто како што присуството на C, N или O во ѕвездата не е јасен показател дека се одвива алфа-процесот, така некои астрономи не сметаат дека овие три треба (безусловно) да се нарекуваат „алфа-елемети“.

Производство во ѕвезди

Алфа-процесот начелно се одвива во големи количини само ако ѕвездата е доволно масивна (над 10 Сончеви маси). Овие ѕвезди се собираат како што стареат, зголемувајќи ја јадрената температура и густина до степен за да се овозможи алфа-процесот. Потребната маса и притисок е поголема за елементи со поголема атомска маса, особено во подоцнежните фази (понекогаш наречени силициумско согорување) и затоа најчесто се јавуваат во супернови. Суперновие од типот II синтетизираат претежно кислород и алфа-елементите (Ne, Mg, Si, S, Ar, Ca и Ti), а суперновите од типот Ia произведуваат главно елементи од железниот врв (Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co и Ni). ДОволно масивните ѕвезди можат да синтетизираат елементи со (и заклучно со) железниот врв просто од водородот и хелиумот кои првично ја сочинуваат ѕвездата.

Првата фаза на алфа-процесот (или алфа-зафат) типично следи по фазата на хелиумско согорување на ѕвездата откако ќе се потроши хелиумот; тогаш слободниот ${}_6^{12}\text{C}$ зафаќа хелиум и дава ${}_8^{16}\text{O}$. Овој процес продолжува откако јадрото ќе заврши со фазата на согорување хелиум бидејќи обвивката околу него продолжува да го согорува тој елемент и да го води во јадрото. Втората фаза (неонското согорување) почнува кога хелиумот ќе се ослободи од фотораспад на еден атом на ${}_{10}^{20}\text{Ne}$, и му дава на друг да продолжи да се искачува по алфа-скалата. Потоа започнуа силициумското согорување преку фотораспадот на ${}_{14}^{28}\text{Si}$ на сличен начин; по ова процесот го достигнува врвот на ${}_{28}^{56}\mathrm{N}\mathrm{i}$. Ударниот бран на суперновата произлезен од ѕвезден колапс овозможува идеални услови за краткотрајно одвивање на овие процеси.

За време на ова конечно загревање со фотораспад и прераспоред, јадрените честички се претвораат во нивниот најстабилен облик за време на суперновата и подоцнежното исфрлање, делумно по пат на алфа-процесот. Почнувајќи од ${}_{22}^{44}\text{Ti}$ и повисоко, сите производни елементи се радиоактивни и затоа се распаѓаат на постабилен изотоп; на пример, ${}_{28}^{56}\mathrm{N}\mathrm{i}$ настанува и се распаѓа на ${}_{26}^{56}\text{Fe}$.