Die Protonenproton-Kettenreaktion ist eine von mehreren Fusionsreaktionen, durch die Sterne Wasserstoff zu Helium, die primäre Alternative umwandeln, die der CNO Zyklus ist. Die Protonenproton-Kette beherrscht in Sternen die Größe der Sonne oder kleiner.

Im Allgemeinen kann Protonenproton-Fusion nur vorkommen, wenn die Temperatur (d. h. kinetische Energie) der Protone hoch genug ist, um ihr gegenseitiges elektrostatisches oder Ampere-Sekunde-Repulsion zu überwinden.

An der Sonne sind schweren Wasserstoff erzeugende Ereignisse so selten (diprotons das viel allgemeinere Ergebnis von Kernreaktionen innerhalb des Sterns zu sein), dass eine ganze Konvertierung von Wasserstoff des Sterns (mehr als zehn Milliarden) Jahre an den vorherrschenden Bedingungen seines Kerns nehmen würde. Die Tatsache, dass die Sonne noch scheint, ist wegen der langsamen Natur dieser Reaktion; wenn es schneller gegangen ist, hätte die Sonne seinen Wasserstoff vor langer Zeit erschöpft.

Geschichte der Protonenproton-Kettenreaktion

Die Theorie, dass Protonenproton-Reaktionen das Kernprinzip waren, durch das die Sonne und andere Sternbrandwunde von Arthur Stanley Eddington in den 1920er Jahren verteidigt wurden. Zurzeit wurde die Temperatur der Sonne zu niedrig betrachtet, um die Ampere-Sekunde-Barriere zu überwinden. Nach der Entwicklung der Quant-Mechanik wurde es entdeckt, dass tunneling des wavefunctions der Protone durch die abstoßende Barriere Fusion bei einer niedrigeren Temperatur berücksichtigt als die klassische Vorhersage.

Trotzdem war es unklar, wie Protonenproton-Fusion weitergehen könnte, weil das offensichtlichste Produkt, Helium 2 (diproton), nicht stabil ist und sich sofort zurück in ein Paar von Protonen abtrennt. 1939 hat Hans Bethe vorgeschlagen, dass eines der Protone Beta gekonnt hat, in ein Neutron über die schwache Wechselwirkung während des kurzen Moments der Fusion zu verfallen, schweren Wasserstoff das anfängliche Produkt in der Kette machend. Diese Idee war ein Teil des Körpers der Arbeit in stellarem nucleosynthesis, für den Bethe den 1967-Nobelpreis in der Physik gewonnen hat.

Die Protonenproton-Kettenreaktion

Der erste Schritt schließt die Fusion von zwei Wasserstoffkernen (Protone) in schweren Wasserstoff ein, einen Positron und ein Neutrino veröffentlichend, als sich ein Proton in ein Neutron ändert.

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Dieser erste Schritt ist äußerst langsam, sowohl weil die Protone zum Tunnel durch die Ampere-Sekunde-Barriere haben, als auch weil es von schwachen Wechselwirkungen abhängt.

Der Positron vernichtet sofort mit einem Elektron, und ihre Massenenergie, sowie ihre kinetische Energie, wird durch zwei Gammastrahl-Fotonen fortgetragen.

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Danach kann der in der ersten Stufe erzeugte schwere Wasserstoff mit einem anderen Wasserstoff durchbrennen, um ein leichtes Isotop von Helium zu erzeugen:

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Von hier gibt es drei mögliche Pfade, um Helium-Isotop zu erzeugen. In Seiten kommt I Helium 4 daraus, zwei des Heliums 3 erzeugte Kerne zu verschmelzen; die Seiten II und Seiten III Zweige brennen mit einem Vorherexistieren durch, um Beryllium zu machen. An der Sonne finden Zweigseiten I mit einer Frequenz von 86 %, Seiten II mit 14 % und Seiten III mit 0.11 % statt. Es gibt auch äußerst seltene Seiten IV Zweig. Zusätzlich können andere noch weniger häufige Reaktionen vorkommen; jedoch ist die Rate dieser Reaktionen sehr niedrig wegen sehr kleiner Querschnitte, oder weil die Zahl von reagierenden Partikeln so niedrig ist, dass irgendwelche Reaktionen, die geschehen könnten, statistisch unbedeutend sind. Das ist teilweise, warum keine Masse 5 oder Masse 8 Elemente gesehen wird. Die Reaktionen, die sie, wie ein Proton + Helium 4 Produzieren-Lithium 5 oder zwei Helium 4 Kerne erzeugen würden, die zusammen kommen, um Beryllium 8 zu bilden, während sie wirklich geschehen können, tauchen nicht auf, weil es keine stabilen Isotope der Masse 5 oder 8 gibt; die resultierenden Produkte verfallen sofort in ihre anfänglichen Reaktionspartner.

Die Seiten I Zweig

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Die ganzen Seiten ich kette Reaktion, veröffentlichen eine Nettoenergie dessen.

Die Seiten I Zweig sind bei Temperaturen 10 dazu dominierend.

Unten erzeugt die SEITEN-Kette viel nicht.

Die Seiten II Zweig

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Die Seiten II Zweig sind bei Temperaturen 14 dazu dominierend.

90 % des neutrinos, der in der Reaktion * erzeugt ist, tragen eine Energie dessen, während die restlichen 10 % tragen (je nachdem, ob Lithium 7 im Boden-Staat oder einem aufgeregten Staat, beziehungsweise ist).

Die Seiten III Zweig

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Die Seiten III Kette ist dominierend, wenn die Temperatur zu weit geht.

Die Seiten ist III Kette nicht eine Hauptenergiequelle an der Sonne (nur 0.11 %), aber war im Sonnenneutrino-Problem sehr wichtig, weil es sehr hohe Energie neutrinos (bis dazu) erzeugt.

Die Seiten IV (Hep) Zweig

Diese Reaktion wird vorausgesagt, aber ist wegen seiner großen Seltenheit (über an der Sonne) nie beobachtet worden. In dieser Reaktion reagiert Helium 3 direkt mit einem Proton, um Helium 4, mit einer noch höheren möglichen Neutrino-Energie (bis zu 18.8 MeV) zu geben.

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Energieausgabe

Das Vergleichen der Masse des Endheliums 4 Atom mit den Massen der vier Protone offenbart, dass 0.007 oder 0.7 % der Masse der ursprünglichen Protone verloren worden ist. Diese Masse ist in die Energie, in der Form der Gammastrahlung und während jeder der individuellen Reaktionen veröffentlichten neutrinos umgewandelt worden. Der Gesamtenergie-Ertrag einer ganzer Kette ist.

Nur als Gammastrahlung veröffentlichte Energie wird mit Elektronen und Protonen aufeinander wirken und das Interieur der Sonne heizen. Diese Heizung unterstützt die Sonne und hält sie davon ab, unter seinem eigenen Gewicht zusammenzubrechen.

Neutrinos wirken bedeutsam mit der Sache nicht aufeinander und helfen nicht, die Sonne gegen den Gravitationskollaps zu unterstützen. Die neutrinos im ppI, ppII und den ppIII Ketten tragen 2.0 %, 4.0 % und 28.3 % der Energie in jenen Reaktionen beziehungsweise weg.

Die Pep-Reaktion

Schwerer Wasserstoff kann auch durch den seltenen Pep (Protonenelektronproton) Reaktion (Elektronfestnahme) erzeugt werden:

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An der Sonne ist das Frequenzverhältnis der Pep-Reaktion gegen die Seiten-Reaktion 1:400. Jedoch sind die durch die Pep-Reaktion veröffentlichten neutrinos viel energischer: Während neutrinos im ersten Schritt der Seiten-Reaktionsreihe in der Energie bis dazu erzeugt hat, erzeugt die Pep-Reaktion scharfe Energielinie neutrinos dessen. Die Entdeckung von Sonnenneutrinos von dieser Reaktion wurde durch die Kollaboration von Borexino 2012 berichtet.

Sowohl der Pep als auch die Seiten-Reaktionen können als zwei verschiedene Darstellungen von Feynman derselben grundlegenden Wechselwirkung gesehen werden, wo das Elektron zur richtigen Seite der Reaktion als ein Antielektron geht. Das wird in der Zahl des Protonenprotons und der Elektronfestnahme-Kettenreaktionen in einem Stern vertreten, der am NDM '06 Website verfügbar ist.

Siehe auch

• Prozess des dreifachen Alphas
• CNO Zyklus