Catena protone-protone

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Schema della catena pp.

La catena protone-protone è un processo nucleare che trasforma i nuclei di idrogeno (protoni) in nuclei di elio. Il processo fu ipotizzato nel 1939 dal fisico e astronomo tedesco Hans Albrecht Bethe. Il ciclo protone-protone rappresenta la sorgente di energia principale per la maggior parte delle stelle dell'universo, compreso il Sole nel quale questa catena è il processo predominante. Un altro processo che porta alla formazione di elio partendo da idrogeno è il ciclo CNO.

Catena delle reazioni[modifica | modifica wikitesto]

Nel primo passaggio due nuclei di idrogeno 1H (protoni) si fondono per formare deuterio 2H, rilasciando un positrone (poiché un protone è diventato un neutrone) ed un neutrino (decadimento β+).

1H + 1H → 2H + e+ + νe

con il neutrino che porta un'energia da 0 a 0,42 MeV.

Questo primo passaggio è estremamente lento per due motivi: il primo è che per i due protoni è necessario superare la barriera di repulsione elettrostatica (e ciò può avvenire unicamente per effetto tunnel, che ha una probabilità bassa anche se non nulla), e perché il decadimento da due protoni a deuterio è una interazione debole che converte un protone in un neutrone. Questo è il collo di bottiglia di tutta la catena, il protone deve aspettare circa 109 anni prima di fondersi in deuterio.

Il positrone si annichila immediatamente con un elettrone, e le loro energie di massa sono trasformate in due raggi gamma.

e+ + e → 2γ + 1,02 MeV

Dopo la produzione di deuterio nel primo passaggio esso si può fondere con un altro nucleo di idrogeno per produrre un isotopo leggero dell'elio, l' 3He:

2H + 1H → 3He + γ + 5,49 MeV

Da qui tre differenti rami portano alla formazione dell'isotopo dell'elio 4He. In pp1 l'elio-4 viene dalla fusione di due nuclei di elio-3; gli altri rami, pp2 e pp3 richiedono elio-4 prodotto nel pp1; entrambe presentano differenti percorsi che il Berillio-7 può seguire. Nel Sole, il ramo pp1 ha una frequenza del 91%, pp2 9% e pp3 0,1%.

Ramo pp I[modifica | modifica wikitesto]

3He +3He → 4He + 1H + 1H + 26,73 MeV

Il completamento della catena pp I rilascia un'energia netta di 26,73 MeV.
Il ramo pp I è dominante a temperatura tra 10 e 14 MK. Sotto i 10 MK, la catena pp non produce più 4He.

Ramo pp II[modifica | modifica wikitesto]

3He + 4He 7Be + γ
7Be + e 7Li + νe
7Li + 1H 4He + 4He

Il ramo pp II è dominante a temperature tra 14 e 23 MK.

Il 90% dei neutrini prodotti nella reazione 7Be(ee)7Li* portano un'energia di 0,861 MeV, mentre il rimanente 10% un'energia di 0,383 MeV (dipende dal fatto che il litio-7 sia in uno stato eccitato o meno).

Ramo pp III[modifica | modifica wikitesto]

3He + 4He 7Be + γ
7Be + 1H 8B + γ
8B 8Be + e+ + νe
8Be 4He + 4He

Il ramo pp III è dominante a temperature maggiori di 23 MK.

Il ramo pp III non è la maggiore sorgente di energia per il Sole (poiché la temperatura del nucleo non è abbastanza alta) ma è molto importante per il problema dei neutrini solari poiché genera i neutrini a più alta energia (≤14.06 MeV).

Ramo pp IV o Hep[modifica | modifica wikitesto]

In questo caso l'elio-3 reagisce direttamente con un protone per dare elio-4

3He + 1H → 4He + νe + e+

Energia rilasciata[modifica | modifica wikitesto]

Confrontando la massa dell'elio-4 finale con le masse dei quattro protoni si ottiene che lo 0,7% della massa originaria è persa. Questa massa è convertita in energia, sotto forma di raggi gamma e di neutrini rilasciati durante le reazioni individuali. L'energia totale che si ottiene da un ramo intero è di 26,73 MeV.

Solo l'energia rilasciata sotto forma di raggi gamma può interagire con gli elettroni e i protoni e scaldare l'interno del Sole. Questo riscaldamento fa sì che il Sole non collassi sotto il suo peso.

Reazione pep[modifica | modifica wikitesto]

Il deuterio può anche essere prodotto tramite una rara reazione di cattura elettronica pep (protone-elettrone-protone):

1H + e + 1H → 2H + νe

Nel Sole, la frequenza della reazione pep è 1/400 della pp. Tuttavia i neutrini rilasciati sono molto più energetici: mentre i neutrini prodotti nel primo passaggio della pp vanno da 0 a 0,42 MeV, i neutrini della pep producono una linea stretta a 1,44 MeV.

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