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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 <tex>$^{14}$N.</tex>
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
<tex>
$$^4_2He+^4_2He \rightarrow ^8_4Be $$
</tex>
Con tale reazione non si realizza però una reale combustione
perchè il <tex>$^8$Be</tex> così prodotto ridecade in due particelle
<tex>$\alpha$</tex> in circa <tex>$10^{-16}$</tex> secondi. La combustione si
realizzerà solo se e quando il berillio prima di decadere catturi una
ulteriore particella <tex>$\alpha$</tex> giungendo a produrre un nucleo
stabile di <tex>$^{12}C$</tex>
<tex>
$$^8Be+^4He\rightarrow ^{12}C $$
</tex>
Per comprendere il meccanismo che porta ad una efficiente
produzione di carbonio è da notare che il <tex>$^8Be$</tex> si comporta
come un elemento secondario, creato dalla reazione di produzione
<tex>$^4He+^4He$</tex> 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:
- Aumenta la velocità di reazione <tex>$\alpha + \alpha$</tex> e aumenta quindi, a fronte del costante tempo di decadimento , la concentrazione di equilibrio di <tex>$^8Be$</tex>
- Si attenuano gli effetti della repulsione coulombiana e aumenta quindi la sezione d'urto del berillio per cattura <tex>$\alpha$</tex>
La combinazione di questi due effetti fa si che a circa <tex>$10^8 K$</tex>
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 <tex>$\alpha$</tex>, così che nelle
strutture stellari ci si attende che siano contemporaneamente
efficienti
<tex>
$$3\alpha\rightarrow ^{12}C+\gamma$$
</tex>
<tex>
$$^{12}C+\alpha\rightarrow ^{16}O+\gamma$$
</tex>
seguite, ma con minore e talora trascurabile efficienza, da
<tex>
$$^{16}O+\alpha\rightarrow ^{20}Ne+\gamma$$
</tex>
<tex>
$$^{20}Ne+\alpha\rightarrow ^{24}Mg+\gamma$$
</tex>
Al termine della combustione di elio ci si attende essenzialmente
una miscela di <tex>$^{12}C$</tex> e <tex>$^{16}O$</tex> con tracce più o meno
consistenti di neon. Le stelle, consentendo di mantenere la materia
attorno ai <tex>$10^8 K$</tex> per milioni di anni, riescono così a
superare tramite la reazione <tex>3$\alpha$</tex> 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' <tex>$^{14}N$</tex> presente
(anche come prodotto di una precedente combustione CNO) sia in
grado anch'esso di catturare particelle <tex>$\alpha$</tex>
<tex>
$$^{14}N+\alpha\rightarrow ^{18}F+\gamma$$
</tex>
seguita dal decadimento
<tex>
$$^{18}F\rightarrow ^{18}O+e^++\nu$$
</tex>
innescando una catena di reazioni che qui di seguito
riportiamo in una notazione alternativa di immediata
interpretazione
<tex>
$$^{14}N(\alpha,\gamma)^{18}F(e^+\nu)^{18}O(\alpha,\gamma)^{20}Ne(\alpha,n)^{25}Mg$$
</tex>
Ricordiamo che in una stella ricca di metalli quale il
Sole, con abbondanza in massa di elementi pesanti dell'ordine di
<tex>$Z\sim0.02$</tex>, l'abbondanza in numero di elementi CNO (supra)
è dell'ordine di <tex>$10^{-3}$</tex>, confortando la scarsa
rilevanza energetica di tale reazione a fronte della combustione
<tex>$3\alpha$</tex>. 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
<tex>$Z\sim0.02$</tex> - corrisponde a <tex>$\sim10^{21}$</tex> 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.
<fbl>