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c11:i_processi_rapidi

11.3 I processi rapidi "r" e "p".

Abbiamo già notato come i nuclei “isola” non possano essere raggiunti dalla traiettorie S. E' subito visto come tali nuclei richiedano l'intervento di almeno due successive catture, di neutroni o protoni, a partire da un isotopo collocato nella valle di stabilità. Ciò indica come all'evoluzione nucleare debbano aver contribuito anche processi “rapidi”, tali cioè che il tempo tra due successive catture risulti molto minore del tempo di decadimento del primo isotopo instabile formato. Il luogo naturale per tali processi è ovviamente l'esplosione di una Supernova.

Notiamo anche che i processi S rendono ragione dei picchi S in Fig. 11.1, ma non dei “bump” di abbondanza che precedono regolarmente i picchi stessi. Sono infatti processi rapidi “r” di cattura neutronica che giustificano non solo l'esistenza di nuclei isola sulla destra della valle di stabilità, ma anche una tale caratteristica nella distribuzione delle abbondanze. Dobbiamo dunque assumere che a causa dell'improvviso e intensissimo flusso di neutroni prodotto nel collaaso di una supernova i nuclei preesistenti inizino una serie di successive catture neutroniche, spostandosi nella zona instabile $\beta^-$ sulla destra della valle di stabilità. L'allontanamento non può però essere indefinito: all'aumentare del numero di neutroni diminuisce l'energia di legame degli stessi e la catena di catture finisce col giungere ad un punto in cui il neutrone aggiunto è subito espulso dai fotoni del bagno termico. Il nucleo (nucleo di attesa) finisce quindi col decadere $\beta^-$, passando da Z a Z+1, e può ricominciare ad accogliere neutroni sino a formare nuovamente un nucleo di attesa.

Le aree tratteggiate in Fig. 11.5 mostrano indicativamente le aree popolate da tali nuclei di attesa. Il flusso di neutroni è peraltro un fenomeno molto rapido: al cessare del flusso tutti i nuclei instabili subiranno una catena di decadimenti $\beta^-$ sino a raggiungere una configurazione stabile. Avendo in mente tale meccanismo, in Fig. 11.4 si possono riconoscere tre tipi di nuclei

  1. Le isole ricche di neutroni, che possono essere popolate solo da processi “r”
  2. I nuclei schermati da un isola “r”, che non possono essere raggiunte dai processi rapidi e sono quindi prodotte esclusivamente dai processi “S”
  3. I nuclei r,S la cui abbondanza risulta dal contributo di ambo i processi.

Si ha cosi tutta una serie di nuclei S-puri o r-puri che portano un importante testimonianza del contributo alla nucleosintesi dei vari processi.

L'esistenza di numeri magici di neutroni introduce infine in tale quadro generale un ulteriore elemento: nuclei instabili con numero magico di neutroni hanno sezioni d'urto di cattuta molto basse. Quindi sono nuclei di attesa che decadono $\beta^-$. Il prodotto del dacadimento non è più magico, ma può prendere un solo neutrone che lo fa ritornare magico. Come schematizzato nell'angolo a destra della Fig. 11.5, in corrispondenza di un numero magico N$_m$ i nuclei sono costretti ad “arrampicarsi” lungo la linea N=N$_m$, popolando cos\`1 la regione al di sotto del picco “S” che corrisponde allo stesso valore N=N$_m$. Come schematizzato in figura, all'esaurirsi del flusso dei neutroni tali nuclei decaderanno $\beta^-$, andando a popolare la valle di stabilit\`a giusto sulla sinistra del picco “S”, dando quindi ragione dei bump che in natura accompagnano quei picchi.

A tale scenario occorre infine aggiungere l'evidenza portata dai nuclei isola ricchi di protoni, sulla sinistra della valle, il cui popolamento richiede multiple catture protoniche. Come mostrato in Fig. 11.6 l'abbondanza in natura di tali nuclei p-puri mostra che tali processi “p” hanno avuto un'efficienza circa un ordine di grandezza inferiore a quella dei processi “s” o “r”. L'intervento dei processi “p” si limita quindi essenzialmente al popolamento delle relative isole, con marginali contributi alla produzione degli altri nuclei. In conclusione potremo continuare a distinguere i nuclei oltre il ferro in s-puri, r-puri, rs, cui dovremo aggiungere i p-puri delle isole.

fig11_06.jpg
Fig. 11.6 Abbondanza in numero degli elementi pesanti formati ripettivamente da processi S, r o p, normalizzata a 10$^6$ atomi di Si. Si notino i picchi e “bump” nelle abbondanze S e r.

L'origine dei processi “p” va ricercata ancora una volta nell'esplosione delle Supernovae, nel corso della quale la materia viene improvvisamente portata a temperature che posono superare i 10$^9$ K. A tali temperature è efficiente la produzione di coppie

$$\gamma \rightarrow e^+ + e^-$$

che può essere seguita da

$$e^+ + (Z.A) \rightarrow (Z+1,A) + \overline \nu$$

cui si aggiungono le catture protoniche dirette

$$(Z,A) + p \rightarrow (Z+1, A+1) + \gamma$$

Possiamo concludere osservando come la distribuzione delle specie nucleari nell'Universo, considerata per molto tempo una realtà insondabile, porti al contrario una chiara testimonianza della storia dell'Universo nel suo insieme, a partire dal Big Bang e attraverso la nascita e la morte delle strutture stellari.


c11/i_processi_rapidi.txt · Ultima modifica: 10/10/2017 11:08 da marco