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c04:combustione_elio

4.7 Combustione dell'He. Catena dell'N 14

Al termine della combustione dell'idrogeno, esaurito tale combustibile la materia risulterà composta da elio e dagli elementi più pesanti originariamente preesistenti. Se il ciclo CNO è stato efficiente ci si attende che tra tali elementi pesanti C e O si siano in gran parte trasformati in $^{14}$N.

La catena pp, ove sono presenti due rami di combustione He+He, ci indica come a qualche decina di milioni di gradi debba certamente risultare “coulombianamente” efficiente anche la reazione

$$^4_2He+^4_2He \rightarrow ^8_4Be $$

Con tale reazione non si realizza però una reale combustione perchè il $^8$Be così prodotto ridecade in due particelle $\alpha$ in circa $10^{-16}$ secondi. La combustione si realizzerà solo se e quando il berillio prima di decadere catturi una ulteriore particella $\alpha$ giungendo a produrre un nucleo stabile di $^{12}C$

$$^8Be+^4He\rightarrow ^{12}C $$

Per comprendere il meccanismo che porta ad una efficiente produzione di carbonio è da notare che il $^8Be$ si comporta come un elemento secondario, creato dalla reazione di produzione $^4He+^4He$ e distrutto dal successivo decadimento, con una concentrazione di equilibrio che dipende dal rapporto tra l'efficienza delle reazioni di produzione (fusione di due nuclei di elio) e di distruzione (decadimento spontaneo). Aumentando la temperatura si producono due effetti, tutti e due tesi a rendere più probabile la combustione del berillio in carbonio:

  1. Aumenta la velocità di reazione $\alpha + \alpha$ e aumenta quindi, a fronte del costante tempo di decadimento , la concentrazione di equilibrio di $^8Be$
  2. Si attenuano gli effetti della repulsione coulombiana e aumenta quindi la sezione d'urto del berillio per cattura $\alpha$

La combinazione di questi due effetti fa si che a circa $10^8 K$ divenga efficiente il processo a tre corpi di fusione di He in C. A tali temperature, ben superiori a quelle richieste dal semplice attraversamento della barriera coulombiana, risultano peraltro efficienti anche successive catture $\alpha$, così che nelle strutture stellari ci si attende che siano contemporaneamente efficienti

$$3\alpha\rightarrow ^{12}C+\gamma$$

$$^{12}C+\alpha\rightarrow ^{16}O+\gamma$$

seguite, ma con minore e talora trascurabile efficienza, da

$$^{16}O+\alpha\rightarrow ^{20}Ne+\gamma$$

$$^{20}Ne+\alpha\rightarrow ^{24}Mg+\gamma$$

Al termine della combustione di elio ci si attende essenzialmente una miscela di $^{12}C$ e $^{16}O$ con tracce più o meno consistenti di neon. Le stelle, consentendo di mantenere la materia attorno ai $10^8 K$ per milioni di anni, riescono così a superare tramite la reazione 3$\alpha$ il limite imposto alla veloce nucleosintesi cosmologica dalla mancanza di nuclei stabili con A=5, 8.

Le reazioni di combustione di elio sin qui discusse sono le uniche rilevanti per quel che riguarda il contributo al fabbisogno energetico di una struttura stellare. E' peraltro da notare come alle temperature di combustione dell'elio l'$^{14}N$ presente (anche come prodotto di una precedente combustione CNO) sia in grado anch'esso di catturare particelle $\alpha$

$$^{14}N+\alpha\rightarrow ^{18}F+\gamma$$

seguita dal decadimento

$$^{18}F\rightarrow ^{18}O+e^++\nu$$

innescando una catena di reazioni che qui di seguito riportiamo in una notazione alternativa di immediata interpretazione

$$^{14}N(\alpha,\gamma)^{18}F(e^+\nu)^{18}O(\alpha,\gamma)^{20}Ne(\alpha,n)^{25}Mg$$

Ricordiamo che in una stella ricca di metalli quale il Sole, con abbondanza in massa di elementi pesanti dell'ordine di $Z\sim0.02$, l'abbondanza in numero di elementi CNO (supra) è dell'ordine di $10^{-3}$, confortando la scarsa rilevanza energetica di tale reazione a fronte della combustione $3\alpha$. E' peraltro da notare che il completamento della catena implica che per ogni nucleo CNO originalmente presente nel gas stellare venga liberato un neutrone, il che - nella assunzione $Z\sim0.02$ - corrisponde a $\sim10^{21}$ neutroni liberati per grammo di materia.

Poichè i neutroni non risentono della repulsione coulombiana, essi tendono ad essere catturati dai nuclei circostanti, che vengono così a fungere da nuclei seme per la costruzione di elementi a numero atomico sempre più alto. Proprio un simile processo contribuisce alla formazione degli elementi più pesanti del ferro che, come già sappiamo, non ci attendiamo possano essere prodotti in combustioni termonucleari quiescenti.





c04/combustione_elio.txt · Ultima modifica: 02/11/2017 15:59 da marco