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碳氮氧循环

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碳氮氧-I循环的一种概观。
碳氮氧-I循环的一种概观。
碳氮氧-I循环
碳氮氧-I循环

碳氮氧循环CNO cycle),有时也称为贝斯-魏茨泽克-循环Bethe-Weizsäcker-cycle),是恒星转换成的两种过程之一,另一种过程是质子-质子链反应

在质量像太阳或更小些的恒星中,质子-质子链反应是产生能量的主要过程,太阳只有1.7%的4氦核是经由碳氮氧循环的过程产生的,但是理论上的模型显示更重的恒星是以碳氮氧循环为产生能量的主要来源。碳氮氧循环的过程是由卡尔·冯·魏茨泽克[1]汉斯·贝特 [2]在1938年和1939年各别独立提出的。

碳氮氧循环的主要反应如下[3]

12C + 1H 13N + γ +1.95 MeV
13N 13C + e+ + νe +2.22 MeV
13C + 1H 14N + γ +7.54 MeV
14N + 1H 15O + γ +7.35 MeV
15O 15N + e+ + νe +2.75 MeV
15N + 1H 12C + 4He +4.96 MeV

这个循环的净效应是4个质子成为一个α粒子、2个正电子(和电子湮灭,以γ射线的形式释放出能量)和2个携带着部分能量逃逸出恒星中微子。碳、氮、和氧核在循环中担任催化剂并且再生。

有一个较小分支的反应,在太阳核心中发生的只占了0.04%的量,最后的产物不是12碳和4氦,而是16氧和一个光子,取代进行的过程如下:

15N + 1H 16O + γ +12.13 MeV
16O + 1H 17F + γ +0.60 MeV
17F 17O +e+ + νe +2.76 MeV
17O + 1H 14N + 4He +1.19 MeV

同样的,碳、氮、和氧在主要的分支,而在较小分支上的也仅仅是稳定状态的催化剂,不会在恒星内累积。

碳氮氧循环的主要分支称为碳氮氧-I,小的分支称为碳氮氧-II,在更重的恒星内还有碳氮氧-III和碳氮氧-IV两个次要的主分支,它们开始于碳氮氧-II反应的最后阶段,结果是以18氧和γ射线取代原本的14氮和氦核:

17O + 1H 18F
18F 18O +e+ + νe + γ

和 氧氟循环:

17O + 1H 18F + γ +5.61 MeV
18F 18O + e+ + νe +1.656 MeV
18O + 1H 19F + γ +7.994 MeV
19F + 1H 16O + 4He + 8.114 MeV
16O + 1H 17F + γ + 0.60 MeV
17F 17O + e+ + νe + 2.76 MeV

此处,所有参与反应的"催化剂"()数量都是守恒的,而在恒星演化中核的相对比例是会改变的。无论最初的结构是如何,当这个循环在平衡状态下,12碳/13碳核的比例是3.5,而14氮成为数量最多的核。在恒星的演化中,对流会将碳氮氧循环的产物从恒星的内部带到表面并混合,改变观测到的恒星成分。在红巨星,相较于主序星,能观测到较低比例的12碳/13碳和12碳/14氮,这些都可以证明核聚变在恒星内部进行能量的世代交替。

相关条目

外部链接

参考资料

  1. ^ C. F. von Weizsäcker. Physik. Zeitschr. 39 (1938) 633.
  2. ^ H. A. Bethe. Physical Review 55 (1939) 436.
  3. ^ "Introductory Nuclear Physics", Kenneth S. Krane, John Wiley & Sons, New York, 1988, p.537
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