Processo tre alfa

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Il processo tre alfa è il processo per cui tre nuclei di elio (particella alfa) sono alla fine trasformati in carbonio dopo una complessa serie di reazioni nucleari.[1][2] Fa parte delle reazioni nucleari della nucleosintesi stellare.

Reazioni[modifica | modifica sorgente]

Diagramma del processo tre alfa

Questa reazione di fusione nucleare può avvenire solo in ambienti che siano ricchi di elio, sottoposti a pressioni elevate e a temperature superiori a 100.000.000 gradi. Avviene solo quindi all'interno di stelle in stadio di evoluzione avanzato, dove l'elio prodotto dalla catena protone-protone e dal ciclo del carbonio-azoto si è accumulato al centro della stella. Poiché l'elio inizialmente non produce energia, la stella collassa finché la temperatura al centro non raggiunge i ~100×106 K necessari perché inizi la fusione dell'elio, che dà luogo alla formazione di 8Be, secondo la seguente reazione:

4He + 4He ↔ 8Be (-93,7 keV)
8Be + 4He ↔ 12C + γ (+ 7,367 MeV)[3]

La prima reazione è endotermica, mentre la seconda è esotermica. Pertanto l'energia netta complessivamente rilasciata dal processo è di 7,275 MeV.

Il 8Be prodotto nel primo passo è instabile, e decade in due nuclei di elio in 2,6×10−6 secondi. Ma nelle condizioni che permettono la fusione dell'elio si forma una piccola abbondanza di 8Be in equilibrio. La cattura di un'altra particella alfa conduce quindi al 12C. Questa conversione di tre particelle alfa in 12C è chiamato il processo tre alfa.

La cinetica di reazione di questo processo è molto lenta a causa dell'instabilità del 8Be ed è quindi necessario un lungo periodo di tempo per dare luogo alla produzione di carbonio a partire da una iniziale atmosfera di idrogeno. Una conseguenza è che il carbonio non poté formarsi al momento del Big Bang, perché la temperatura dell'universo scese troppo rapidamente al di sotto di quella necessaria per la fusione dell'elio.

Ordinariamente, le probabilità di questa reazione sarebbero estremamente piccole. Ma il berillio-8 ha quasi la stessa energia di due particelle alfa. Nel secondo passo, 8Be + 4He hanno quasi lo stesso livello energetico dello stato eccitato del 12C. Queste risonanze aumentano notevolmente la probabilità che una particella alfa incidente si combini col berillio-8 per formare un nucleo di carbonio.

Come reazione collaterale del processo, un nucleo di carbonio si può fondere con un altro nucleo di elio per produrre un isotopo stabile dell'ossigeno e rilasciare energia:

12C + 4He → 16O + γ (+7,162 MeV)

Aspetti storici e concettuali[modifica | modifica sorgente]

Che l'esistenza stabile del carbonio dipenda da livelli energetici dei nuclei atomici collocati esattamente nel punto e col valore necessario (rispetto a numerosi altri fisicamente possibili e almeno altrettanto probabili) fu ipotesi avanzata (con accurata predizione dei fattori suindicati) per primo (e unicamente) dall'astrofisico Fred Hoyle (negli anni iniziali del 1950), ispirato dai processi atomici interni alle stelle (in suoi studi relativi soprattutto alla classe delle giganti rosse). Tale ipotesi predittiva di Hoyle fu, circa tre anni dopo, verificata e confermata sperimentalmente (nei laboratori del Caltech) dal fisico nucleare, che aveva collaborato con Lui: William A.Fowler, il quale seguì applicativamente quest'idea nella propria ricerca, impresa che gli valse il nobel.[4]All'epoca (e almeno fin ai primi del 1960) la collaborazione tra fisici sperimentali e astronomi era più consueta e sinergica di ora in quanto con l'osservazione dei corpi celesti e stellari, dei relativi spettri elettromagnetici e fasi di sviluppo, si cercava ancora di capire molti meccanismi sulla produzione di elementi atomici, della loro diffusione (o abbondanze) e conseguenze naturali sia rispetto all'ambiente terrestre e interplanetario che all'insieme cosmico.[5] La scoperta di questa risonanza è giudicata dai simpatizzanti del principio antropico uno fra i vari (e più rilevanti) argomenti a sostegno della loro concezione, in quanto interamente predetta e pensata per esplicare l'apparire della vita (e quindi della specie umana).[6] Ma pur se padre teorico della scoperta del processo, e cogliendone l'eccezionale peculiarità e implicazioni, Hoyle non aderì mai al principio antropico (le cui formulazioni significative son comunque posteriori a detta intuizione); anche se nel caso lo precorse, ponderando la scelta dell'ipotesi astrofisica col discrimine della sua finalizzabilità biologica: pur al di là dell'informazioni allora disponibili (ponendo così la biosfera come il dato effettuale da cui utilmente partire per programmare la linea di ricerca). Però Egli piuttosto inquadra questa regolarità (e la generale calibrazione delle leggi fisiche globali e costanti di accoppiamento)[7] in ciò che fu la sua propria visione cosmologica della genesi biochimica planetaria; una sorta d'ingegneria cosmica indirizzata ad una panspermìa parzialmente variante dall'idea di Svante August Arrhenius. Ribadendola insistentemente fin al termine dei propri giorni, in contrasto con la maggioranza accademica poiché affine al cosiddetto "progetto (o disegno) intelligente": secondo Hoyle attuato da intelligenze extraterrestri (di vario tipo) progressivamente evolute, distribuite e operanti all'interno del complessivo universo considerato stazionario (senza inizio temporale e spazialmente illimitato). Dove però l'eventuale immagine d'un Dio resta sullo sfondo (e priva di connotati religiosi), differenziando tale modello dal più semplicistico creazionismo.[8] Va infine precisato che questa eterodossìa paradigmatica Hoyle la maturò nel tempo, e non è simultanea alla sua teorizzazione del processo triplo alfa.

Anche secondo il noto fisico e accademico Paul Davies (che ha posizioni in genere conformi alla comunità scientifica, diversamente dal succitato Hoyle) detta combinazione nucleosintetica ha chiari risvolti correlati all'esobiologia impegnata nel S.E.T.I. (specificatamente da egli nominato). Infatti, egli ribadisce, tal processo essendo così ben coincidente con la produzione di quantità di carbonio utili al costitursi della vita è ulteriore indizio di quanto le funzioni vitali possano essere parte integrante delle leggi fisiche connaturali all'universo. Genesi e sviluppo biologico sono dunque, pur se non preordinati da menti superiori, fenomeni emergenti necessari e non casuali, determinati e già insiti logicamente nei meccanismi che regolano l'insieme evolutivo del cosmo. E poiché proprio il carbonio è forse il più efficiente elemento che permetta forme corporee abbastanza complesse, capaci d'evolversi verso intelligenza ed autoconsapevolezza, anche la coscienza probabilmente sostiene un ruolo significativo entro lo scenario della struttura naturale globale (al proposito qui Davies si riallaccia, citandola, alla celebre ipotesi di Eugene Wigner teorizzante tale soluzione). Di conseguenza ciò porta a concludere che, in presenza di sufficienti pianeti extrasolari in condizioni non proibitive, altre entità biologiche e quindi loro eventuali esociviltà non dovrebbero rappresentare un fenomeno galattico troppo raro.[9]

Nucleosintesi stellare[modifica | modifica sorgente]

Il passo successivo della fusione, in cui l'ossigeno si combina con una particella alfa per formare il neon, è molto più difficile a causa delle regole sullo spin nucleare. Si crea quindi una situazione in cui la nucleosintesi stellare produce grandi quantità di carbonio e ossigeno, ma solo una piccola frazione di questi elementi è convertita in neon e in elementi più pesanti.

Il processo di fusione nucleare permette la produzione degli elementi fino al nichel, che successivamente decade in ferro. Gli elementi più pesanti del nickel sono invece il risultato della cattura neutronica. Il processo di cattura lenta (Processo S), porta alla produzione di circa metà degli elementi pesanti. I rimanenti sono il risultato del processo di cattura rapida (Processo R), legato al collasso delle supernovae.

Note[modifica | modifica sorgente]

  1. ^ Editors Appenzeller, Harwit, Kippenhahn, Strittmatter, & Trimble, Astrophysics Library, Springer, New York, 3rd Edition, ISBN.
  2. ^ Ostlie, D.A. & Carroll, B.W., An Introduction to Modern Stellar Astrophysics, Addison Wesley, San Francisco, 2007, ISBN 0-8053-0348-0.
  3. ^ CW Cook, W. Fowler, C. Lauritsen, T. Lauritsen, 12B, 12C, and the Red Giants in Physical Review, vol. 107, nº 2, 1957, pp. 508–515, Bibcode:1957PhRv..107..508C, DOI:10.1103/PhysRev.107.508.
  4. ^ John Boslough "I Signori Del Tempo",Parte seconda:cap.11-par."nozze cosmiche" ed.Garzanti 1995.Stephen Hawking e Leonard Mlodinow "The Grand Design"-cp.VII.(2010)
  5. ^ Pur in quanto acceleratori e collisori di particelle non avevano la potenza odierna.
  6. ^ Paul Davies "Siamo soli? Implicazioni filosofiche della scoperta della vita extraterrestre" cap.5,ed.Laterza 1994.
  7. ^ Ad esempio la grandezza dell'interazione forte nucleare, col valore preciso (E) correlato alla disintegrazione di massa in pura radiazione nel fondamentale meccanismo di fusione H producente>> He, da cui le conseguenti combinazioni nucleosintetiche necessarie alla definitiva composizione del nostro ecosistema.
  8. ^ Fred Hoyle-N.C.Wickramasinghe "Evolution from space" (1981), trad.it di L.Sosio "Evoluzione dallo spazio",Biblioteca scientifica Etas-1984: per la sua critica al "principio antropico" e riepilogo delle concezioni di Hoyle (su relazioni fra biologia e astronomia) vedi cap.9 e Conclusione, per approfondimento le appendici tecniche a fine testo.
  9. ^ Argomentazione trattata da P. Davies in op.cit, qui in particolare si veda al cap.5° da pag. 122 a 134.
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