Le reazioni nucleari nel sole: Introduzione

La serie di testi presentati qui si occupa delle reazioni nucleari nel sole. Con quale scopo? In tanti testi i problemi sono presentati come risolti. Si dà come risolta anche il problema classico dei neutrini solari mancanti. Anche se le prove sperimentali (dal CERN a Ginevra si mandano neutrini verso il laboratorio sotto il Gran Sasso per vedere se si sono trasformati) mancano ancora. Questi articoli  mettono in evidenza le mancanze di conoscenza (può darsi che siano solo quelle dell’autore, si spera sulla discussione). Forniscono qualche metodologia matematica allo scopo di evitare “calcoli virtuali”, cioè quei calcoli che fornirebbero  il risultato  desiderato se fossero eseguiti davvero. Poi sono sempre sbagliati. Nei testi sono inclusi formule e dati che servono a eseguire i calcoli davvero e a esporsi a qualche sorpresa. Le teorie presentate si avvalgono delle scoperte recenti di nuclei intermedi decisamente instabili, esempio: elio5.

Nell’astrofisica odierna non sono considerati alcuni principi della fisica nucleare, che riguardano  la cattura di elettroni e antineutrini da parte di nuclei. Sulla terra neutrini e antineutrini reagiscono quasi mai, la loro energia è sempre sbagliata. In ambienti stellari invece l’energia può essere idonea. Da qui derivano ipotesi di reazioni nucleari nelle sole non considerate normalmente.

Nel nucleo del sole la fusione nucleare produce elio 4 a partire da 4 protoni. La prima reazione: Due protoni si fondono e diventano un deuterone. Deuteroni si fondono con altri protoni e diventano nuclei di elio 3. I nuclei di elio 3 si fondono tra di loro a diventare elio 4 con l’emissione di due protoni che avanzano. Tutto questo merita un’analisi. Questi sono le reazioni principali. Vale la pena esaminare anche le reazioni meno frequenti.

Sulla terra si studiano le fusioni nucleari soprattutto usando acceleratori per portare uno dei due nuclei all’energia necessaria a superare la repulsione elettrostatica tra di loro.

C’è un problema: Nelle stelle, come nel sole, non ci sono acceleratori. La velocità dei nuclei è un movimento termico.  Alle temperature all’interno delle stelle queste velocità sono molto più basse di quelle usate negli acceleratori.  Nelle stelle della sequenza principale del diagramma Hertzsprung – Russell,  cioè nelle stelle che producono energia con la fusione dei nuclei dell’idrogeno, la velocità termica dei protoni è insufficiente per il superamento della repulsione elettrostatica tra i protoni.

Il problema della “fusione sotto la soglia” è stato affrontato da un fisico russo, emigrato negli Stati Uniti: George Gamow.

La teoria di Gamow dice che due nuclei possono fondersi anche se i due nuclei non si toccano.  I due nuclei possono superare la barriera tramite l’effetto tunnel, che è caratteristico della meccanica a onde. Non c’è nella fisica classica. Gamow ha risolto il problema matematico della trasparenza della barriera. 

Nel centro sole, a 15 milioni di gradi, protoni con l’energia termica media restano troppo distanti tra di loro per superare la barriera con l’effetto tunnel. Solo protoni nella coda delle energie alte ce la fanno. Quelli però sono pochissimi.

Moltiplicando la probabilità che una particella abbia una certa energia con la probabilità di passare dall’altra parte della barriera tramite l’effetto tunnel, si ottiene il “compromesso”, cioè quella parte di particelle che nella distribuzione termica delle energie è abbastanza veloce da poter superare la barriera. La zona di questo “compromesso” si chiama la “finestra di Gamow”.

Per il sole: la temperatura al centro del sole si assume che sia di 15 milioni di gradi. Secondo la distribuzione Maxwell – Boltzmann delle energie termiche il numero massimo delle particelle si trova a un energia termica di 625 eV. Il 4,7% in un campo di energie tra 560 e 685 eV. La trasparenza della barriera elettrostatica tra due protoni in questo campo di energie è di 2,3 x 10-9.  Un protone su 813 milioni si trova in contatto con un altro protone attraverso l’effetto tunnel. In pratica all’energia dove traviamo il numero massimo di particelle, la barriera elettrostatica non è trasparente. Il massimo della finestra di Gamow si trova a 5120 eV. A questa energia lo 0,41% dei protoni si trova in un campo di energie largo 125 eV, la trasparenza della barriera fa trovare circa una particella su mille dall’altra parte della barriera. Se non ci fosse l’effetto tunnel ci vorrebbero 545 000 eV per portare due protoni in contatto tra di loro. Nel sole nessun protone ha questa energia.

Le fusioni nucleari sotto la soglia energetica del contatto si chiamano fusioni nel “campo Gamow”. C’è un laboratorio capace a fare fusioni nel campo Gamow. L’esperimento si chiama “LUNA” (Laboratory Underground Nuclear Astrophysics) ed è di casa nel laboratorio sotto il Gran Sasso. Le fusioni nel campo Gamow succedono di raro ed è impossibile studiarle in presenza di radiazione di fondo normale. Questo è il motivo perché occorre andare sotto il Gran Sasso e usarlo come schermo contro la radiazione di fondo.

Con l’esperimento LUNA sono state studiate una serie di fusioni stellare. Ma la fusione tra due protoni è fuori portata anche per LUNA. E’ di gran lunga troppo rara.

Nell’esperimento LUNA sono state studiate le reazioni 4He(3He,gamma)7Be, d(p,g)3He, d(d,p)t, 3He(d,p)4He, 3He(3He,2p)4He, forse anche altre.

La fusione tra due protoni che porta al deuterio è diversa da tutte le altre fusioni. Di solito nelle fusioni nasce un “nucleo intermedio” (compound nucleus) che dopo decade. Il nucleo intermedio è composto dalla somma dei protoni e neutroni dei due nuclei fusi. Esempio: Nella fusione tra due atomi di elio 3 nasce un nucleo di berillio 6. Questo è poco stabile e con un tempo di dimezzamento di  10-21  secondi decade in un atomo di elio 4 e due protoni.  Nelle fusioni a bassa energia il nucleo intermedio c’è sempre, anche se non viene indicato. La reazione tra due nuclei di elio 3, secondo i modi di scriverla in uso attualmente, va direttamente il elio 4 e due protoni. In realtà non è così. La causa di questo errore sta nel fatto che il nucleo di berillio 6 era sconosciuto fino a poco fa. Sulla “chart of nuclides” di Karlsruhe, edizione 1995 non c’è. E’ apparso sull’edizione 2005. Le reazioni dirette, cioè senza il passaggio attraverso un nucleo intermedio sono tipiche per alte energie d’urto.  In questo caso un nucleo proiettile che colpisce un nucleo target gli stacca dei pezzi nell’urto. Alle energie altissime il nucleo target esplode in tanti pezzetti, cioè protoni e neutroni. Questo processo si chiama “spallazione”.

Nella fusione tra due protoni non c’è un nucleo intermedio composto da due protoni. Non esiste alcun stato legato tra due protoni. La fusione tra due protoni funziona solo se nel momento di contatto (attraverso l’effetto tunnel) uno dei due protoni si trasforma in un neutrone. Questa trasformazione, un decadimento beta, è governata dall’interazione debole. La fusione tra due protoni è l’unica fusione conosciuta che coinvolge l’interazione debole. A causa di questo coinvolgimento le fusioni tra due protoni sono così rare che probabilmente non potranno mai essere osservati in laboratori terrestri. La rarità di questa reazione è la causa della longevità del sole, che mette 10 miliardi di anni a bruciare l’idrogeno nel suo nucleo.

Il processo successivo alla formazione del deuterio è la fusione di un deuterone con un protone. Anche questa reazione è problematica: Il nucleo intermedio, cioè il elio 3 eccitato non esiste. La reazione deve portare direttamente allo stato fondamentale dell’elio 3. L’eccesso di energia va portato via con l’emissione di un quanto di raggi gamma.

C’è un metodo per studiare i processi di fusioni nel sole:

Si presume che il pianeta Giove sia un sole mancato. Troppo piccolo per arrivare a temperatura e densità sufficienti per la fusione con la compressione gravitazionale. La composizione di giove sarebbe uguale a quella del sole prima che siano iniziate le reazioni nucleari. Attualmente le composizioni di Giove e del Sole sono leggermente diverse e si può attribuire questo alle reazioni nucleari che nel sole sono avvenute e in Giove sono mancate.

Un altro esempio per l’omissione del nucleo intermedio nei testi si trova nel ciclo CNO o Bethe Weizsaecker. L’ultimo passaggio sarebbe che un nucleo di azoto 15 con un protone diventa un nucleo di carbonio 12 più una particella alfa, cioè un nucleo di elio 4. In realtà dalla fusione di un nucleo di azoto 15 con un protone nasce un nucleo di ossigeno 16. Si evitava la indicazione di questo nucleo perché non era credibile che il nucleo di ossigeno 16, uno dei più stabili, facesse un decadimento alfa esclusivo. Solo di recente si sa che dalla fusione dell’azoto 15 con un protone viene raggiunto un livello eccitato dell’ossigeno 16 che fa un decadimento alfa esclusivo. Il premio Nobel è stato assegnato 50 anni prima che si sapesse.

Elmar Pfletschinger

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18 pensieri su “Le reazioni nucleari nel sole: Introduzione

  1. Bellissimo articolo, anche se molto tecnico e per me almeno forse troppo 🙂
    Pero’ apprezzo tantissimo l’onesta’ intellettuale di dire che il modello solare standard ancora non riesce a spiegare alcuni fenomeni (i neutrini mancanti, ad esempio).
    Mi permetto di segnalare che la teoria di Boscoli sul sole spiegherebbe molte di queste anomalie, e anche altre (tipo le anomalie nell’orbita di mercurio).
    Magari un giorno la esporro’, anche per sapere Elmar cosa ne pensa.

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  2. Perdonami elmar ma reputo questa cosa molto importante per il blog……
    Sinceramente non capisco come sia possibile che nessuno mi abbia dato una sua impressione su quella AR nell’emisfero sud….una volta pronunciando la parola SOLE il blog andava in tilt…..è molto probabile che io abbia detto una stronzata e che si tratti di una semplicissima AR da ciclo 24, ma il solo fatto che sia andato a ripescare quel grandissimo articolo di Ale mi aspettavo che un minimo di interesse lo suscitasse….
    per l’ultima volta ribadisco tre concetti chiave che dovrebbero farvi bollire il sangue (almeno una volta era così):
    1) tutte le AR che compaiono da un pò di tempo hanno vettore trailing-loco parallelo all’equatore solare, sintomo di PRE MAX o addirittura POST MAX.
    2)tutte le AR che compaiono attualmente hanno polarità complessa, ed il rimescolamento dei pattern magnetici, come ci ha insegnato Ale, è ancora un segnale che siamo in fase di massimo pieno.
    3)l’AR che è comparsa l’altro ieri e di cui ho parlato in questi due giorni ha vettore trailing-loco inclinato esattamente di 90° rispetto all’equatore solare, altra prova che siamo in fase di uscita dal MASSIMO SOLARE…..

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  3. Elmar Pfletschinger
    Nell’astrofisica odierna non sono considerati alcuni principi della fisica nucleare, che riguardano la cattura di elettroni e antineutrini da parte di nuclei. Sulla terra neutrini e antineutrini reagiscono quasi mai, la loro energia è sempre sbagliata.

    Le fusioni nucleari sotto la soglia energetica del contatto si chiamano fusioni nel “campo Gamow”. C’è un laboratorio capace a fare fusioni nel campo Gamow.

    da alcuni articoli … che posto singolarmente per non farmi bloccare il commento
    escono dei dat che fanno pensare a una influenza solare sulla radioattivita naturale
    http://gifh.wordpress.com/2010/08/29/lo-strano-caso-dei-brillamenti-solari-e-della-radioattivita-scomparsa/

    visto la spiegazione del decadimento alfa con l’effetto tunnel
    The most prominent breakthrough was the explanation of alpha decay using tunnelling.

    puo un effetto tunnel legato ai neutrini solari ( e alla attivita dei cicli solari)
    modulare la radioattivita naturale ?

    mi sono spinto in due speculazioni
    legate alle Glaciazioni e alla Sismica
    che posto come link sotto

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  4. Riccardo
    penso che stiamo uscendo dal MAX
    e se Elmar mi da qualche informazione aggiuntiva,
    sono un po arrugginito con la FISICA,
    forse si puo trovare una correlazione che lega la variazione della radiattivita naturale
    al clima e ai cicli di ritorno delle glaciazioni … con cambio rapido dovuto a sismica e vulcani
    per ora ho pochissimi dati
    ma la cosa è molto intrigante e si lega benissimo con un MAX basso adesso.

    come ho commentato
    http://daltonsminima.altervista.org/?p=14110#comments
    penso che siamo alla confluenza di almen TRE cicli che portano al freddo
    oltre ai ciclo dovuto ai pianeti
    quello di Bomd
    e la fine di un interglaciale caldo

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  5. Bello Elmar.
    Non ci avevo mai pensato ma in effetti la reazione di fusione deve essere per forza rara, se dura cosi’ a lungo …. altrimenti il sole farebbe “bum” come una bomba all’idrogeno…
    Stavo pensando se ci sono meccanismi di auto-regolazione (ci saranno certamente, altrimenti… farebbe bum anche in questo caso…)

    Ciao
    Luca

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  6. Riccardo :Perdonami elmar ma reputo questa cosa molto importante per il blog……Sinceramente non capisco come sia possibile che nessuno mi abbia dato una sua impressione su quella AR nell’emisfero sud….una volta pronunciando la parola SOLE il blog andava in tilt…..è molto probabile che io abbia detto una stronzata e che si tratti di una semplicissima AR da ciclo 24, ma il solo fatto che sia andato a ripescare quel grandissimo articolo di Ale mi aspettavo che un minimo di interesse lo suscitasse….per l’ultima volta ribadisco tre concetti chiave che dovrebbero farvi bollire il sangue (almeno una volta era così):1) tutte le AR che compaiono da un pò di tempo hanno vettore trailing-loco parallelo all’equatore solare, sintomo di PRE MAX o addirittura POST MAX.2)tutte le AR che compaiono attualmente hanno polarità complessa, ed il rimescolamento dei pattern magnetici, come ci ha insegnato Ale, è ancora un segnale che siamo in fase di massimo pieno.3)l’AR che è comparsa l’altro ieri e di cui ho parlato in questi due giorni ha vettore trailing-loco inclinato esattamente di 90° rispetto all’equatore solare, altra prova che siamo in fase di uscita dal MASSIMO SOLARE…..

    ibnteressante, guardando meglio potresti anche avere ragione!

    Ma il prof Svalgad direbbe che è macchie a polarità invertita possono capitare qulche volta in un ciclo solare!

    aspettiamo come procede!

    Simon

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  7. @Luigi Lucato
    Per i decadimenti beta più e beta meno l’ipotesi di influenza sui tempi di decadimento potrebbe essere legata all’emissione di neutrini dal sole e al flusso di antineutrini che vengono dallo spazio, cioè da supernovae. Gli antineutrini potrebbero influenzare l’attività del sole (ho spiegato quest’ipotesi nell’articolo numero 5 delle reazioni nucleari nel sole) e potrebbero in parallelo influenzare i decadimenti beta più (Mn54). I neutrini che vengono dal sole potrebbero influenzare i decadimenti beta meno (Si32).

    Non ho alcuna ipotesi come i decadimenti alfa (Ra226) possano essere influenzati. I neutrini non c’entrano.

      (Quote)  (Reply)

  8. elmar

    Sto cercando altra documentazione per vedere le influenze sui varii tipi di decadimento
    ho trovato questo sulla datazione del C14 arxiv.org/pdf/0808.3986
    e su una ciclicita circa bicentenaria del sole

      (Quote)  (Reply)

  9. elmar

    he curious periodic variations in the decay rates of silicon-32 and radium-226 observed by groups at the Brookhaven National Labs in the US and at the Physikalisch-Technische Bundesandstalt in Germany in the 1980s.

    http://arxivblog.com/?p=596

    anche questa osservazione comunque include tipi diversi di decadimento Si32 e Ra226

      (Quote)  (Reply)

  10. elmar

    qui di tutto un po ….
    http://dealingwithcreationisminastronomy.blogspot.com/2008/09/radioactive-decay-rates-depend-on-earth.html

    quello che sto cercando è una influenza del sole oltre a quelle note gravita ed elettromagnetica (in tutte le sue forme)

    il tutto lo calo sui dati storici … religiosi/leggende e da da carotaggi vari
    per avere un calendario del passato da cui proiettare cicli CLIMATICI nel futuro

    ovviamente non do lo stesso peso a tutte le fonti
    ma solo qualitativamente tutte contengono informazioni

    in questo contesto una variabilita degli orologi naturali (o delle costanti….)
    permette in alcuni casi di far coincidere meglio gli eventi
    link cronologia glaciazioni.

    AntiNeutrini e supernove … o altro può spiegare variazioni improvvise della ciclicita Solare
    penso a Vela e inizio periodo caldo interglaciale attuale … poi il Dryas per altri motivi

    in tutto questo il problema è come riudurre i tempi di incertezza
    un +- 500 anni insignificante per Sole e Geologia …. enorme per scala umana

    forse più informazioni sulla fisica solare … e su cosa misurare
    ci puo permettere di sincronizzare i varii eventi
    e di capire con precisione se il Sole sta cambiando marcia adesso,
    con tutto il seguito di fenomeni geologici terrestri collegati.

    nb: il fatto di variazioni sia sul decadimento beta che alfa mi porta a pensare ad altro oltre alla influenza di neutrini/antineutrini, che ritengo comunque utile a spiegare beta.

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  11. elmar

    in questo
    Oscillations in radioactive exponential decay
    spiegano tutto con variazioni della sensibilita strumentale …dovuta a condizioni climatiche

    http://www.sciencedirect.com/science?_ob=ArticleURL&_udi=B6TVN-4W4CWJD-1&_user=10&_coverDate=05%2F25%2F2009&_rdoc=1&_fmt=high&_orig=gateway&_origin=gateway&_sort=d&_docanchor=&view=c&_acct=C000050221&_version=1&_urlVersion=0&_userid=10&md5=5bc0c572783f1dad753052e93de88729&searchtype=a

    mi pare strano condurre un esperimento del genere in condizioni …. influenzate dalla stagione esterna
    comunque cerchero dei dati Australiani … come verifica.

    comunque ciclicita piu lunghe ..art. sul C14 e altro non sono legate alla stagionalita.

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  12. Buongiorno, leggo che, per il sole:, alla temperatura di 15 milioni di gradi la trasparenza della barriera elettrostatica tra due protoni in questo campo di energie è di 2,3 x 10-9. Un protone su 813 milioni si trova in contatto con un altro protone attraverso l’effetto tunnel. Altri affermano che la probabilità è di 1 su 10 Miliardi e, altri ancora, di 1 su 10^16: come conciliare questi valori?
    Grazie
    Erminio

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