Le Reazioni Nucleari nel Sole 7: Le reazioni degli isotopi dell’elio e del litio

Il nucleo del sole è composto circa al 40% da elio 4. Poi ci sono tracce di elio 3. L’elio 4 non viene eliminato da nessuna reazione nucleare, l’elio 3 c’è perché viene eliminato solo lentamente, si trova anche sulla superficie del sole e nel vento solare e quindi sulla superficie lunare.

Le reazioni nucleari dei due isotopi dell’elio:

Fusione tra due nuclei di elio 3

Fusione tra un nucleo di elio 3 con uno di elio 4, le reazioni seguenti sono le reazioni degli isotopi del litio

Fusione tra due nuclei di elio 4

Cattura di un elettrone da parte di un nucleo di elio 3

L’integrale sulla finestra Gamow per la fusione He3 – He3 è di 1,8 x 10-16, per la fusione He4 – He4  è di 4,7 x 10-18. La finestra di Gamow per He3 – He4 sta in mezzo. Questi valori sono indici di una reattività scarsa.

La fusione tra due nuclei di elio 3

Dalla fusione di due nuclei di elio 3 nasce un nucleo intermedio di berillio 6. Questo è una novità. Il nucleo intermedio di berillio 6 fino a poco tempo fa era ignoto. Con un tempo di dimezzamento di 5 x 10-21 secondi questo nucleo decade con l’emissione di due protoni. Resta un nucleo di elio 4. Tradizionalmente la reazione veniva scritta in maniera che la fusione tra due nuclei di elio 4 porta direttamente all’elio 4 e a due protoni.  Attualmente la ricerca sta cercando livelli eccitati del berillio 6 che potrebbero entrare in risonanza nella fusione He 3 – He3.

La fusione He3 – He3 è argomento di ricerca del progetto LUNA (sotto il Gran Sasso).

La fusione tra elio 3 e elio 4

 

Dalla fusione tra elio 3 e elio 4 nasce il berillio 7. In questa reazione avanza un energia di 1,584 MeV. I berillio 7 ha livelli eccitati a 0,429 MeV e a 4,57 MeV (Nudat2). Nessuno di questi livelli eccitati può essere raggiunto direttamente nella fusione. Ci vuole una simultanea emissione di un quanto di raggi gamma. Questo riduce notevolmente la probabilità di questa fusione ed è una causa per la presenza di elio 3 nel sole.

Il nucleo che nasce, il berillio 7, è famoso nella fisica nucleare. E’ instabile, fa una decadimento beta più e diventa litio 7. Il dislivello energetico tra berillio 7 e litio 7 è di 0,861 MeV. Il tempo di dimezzamento è di 53,22  giorni – in condizioni terrestri normali. Il decadimento avviene unicamente tramite la cattura di un elettrone. Il berillio 7 è uno dei pochissimi nuclei in cui è possibile modificare la semivita del decadimento. Normalmente il questo nucleo cattura uno degli elettroni più interni del guscio di elettroni. Se all’atomo si tolgono gli elettroni, cioè si ionizza totalmente, il nucleo non è più in grado di catturare un elettrone e diventa stabile (Nel GSI, a Darmstadt, in Germania, possono mettere in cerchi di stoccaggio elementi con qualsiasi tipo di ionizzazione).

Il tempo di dimezzamento del berillio 7 nel sole potrebbe essere molto diverso da quello misurato sulla terra. La densità di elettroni nel sole è molto più alta e gli elettroni non sono legati. Sulla terra l’elettrone da catturare ha un’unica energia, fissa e molto precisa. Gli elettroni nel centro del sole hanno una distribuzione termica di energie. Il numero di “canali” di reazione è estremamente più alto.

Il berillio 7 con la cattura di un elettrone e la emissione di un neutrino si trasforma in litio 7.

Le reazioni nucleari del litio 7 e del litio 6

 

Litio 7 sul sole praticamente non c’è. Perché?  Viene subito eliminato, reagisce con i protoni.

La finestra di Gamow per la fusione tra il litio 7 e un protone: Integrale sulla finestra di Gamow: 3,176×10-11. La finestra di Gamow è molto meno aperta di quella per la reazione tra due protoni (0,000178). La reazione nucleare invece è favorita: L’energia di reazione è di 16,617 MeV, il nucleo creato di berillio 8 ha un livello eccitato a 16,626 MeV, largo 0,108 MeV. La reazione tra litio 7 e un protone avviene in condizioni di “risonanza” perfetta. Il nucleo di berillio 8, sconosciuto fino a poco tempo fa, è instabile: Con un tempo di dimezzamento di 5 x 1021 secondi si spezza in due nuclei di elio 4.

Il litio 6 invece nel centro del sole non può reagire con i protoni. La reazione consumerebbe energia invece di produrla. L’energia termica nel sole è insufficiente per fornire l’energia necessaria. Il litio 6 viene distrutto da un altro processo: Il litio è molto efficace nell’assorbimento di neutroni. La sezione di interazione del litio 6 per neutroni termici è di 941 barn. Per confronto: Anche i protoni assorbono neutroni, la sezione per l’assorbimento di neutroni termici è di 0,332 barn. Un nucleo di litio 6 assorbe neutroni come 2834 nuclei di idrogeno. L’eccesso di energia in questa reazione è di 5,8103 MeV. Il nucleo di litio 7 ha un livello eccitato a 6,680 MeV, largo 0,88 MeV, che viene raggiunto in questa reazione. Anche questa reazione avviene in risonanza, senza l’intervento di un’interazione debole o elettromagnetica. Il livello eccitato del litio 7 a 6,680 MeV non fa emissioni gamma, non si raggiunge il livello base del nucleo. Invece il nucleo di litio 7 eccitato a questa energia si spezza in due: In un nucleo di elio 4 e un nucleo di trizio.  Con questa reazione il trizio viene prodotto anche sulla terra.

Le reazioni dei due isotopi del litio sono preferenziali rispetto alla reazione tra due nuclei di idrogeno. In una stella come il nostro sole, quando nasce, prima che si innesca la reazione tra i protoni, si innescano le reazioni tra litio 7 e protoni e litio 6 e neutroni. Da dove vengono i neutroni: Il trizio nato dal litio 6 successivamente fa una fusione con un deuterone con l’emissioni di un neutrone.

La fusione tra due nuclei di elio 4

 

Dalla fusione di due nuclei di elio 4 nasce un nucleo di berillio 8. Da due nuclei molto stabili ne nasce uno non stabile (tempo di dimezzamento: 6,7 x 10-17 secondi. Decade in due nuclei di elio 4). Questa fusione non produce energia, ma ne consuma.

Ci sono due punti di vista divergenti su questo tipo di fusione:

L’astrofisica sostiene che fusioni endotermiche non possono esistere.

La fisica nucleare dice che funzionano, premesso che l’energia necessaria venga fornita, per esempio o con un acceleratore o come energia termica.

Il nucleo berillio 8 ancora nel 1995 era considerato inesistente (Karlsruher Nuklidkarte, edizione 1995).  Nel 2005 era conosciuto.

La fusione tra due nuclei di elio 4 richiede un’energia di 93,2 keV. A 15 milioni la probabilità che una coppia di nuclei abbia un’energia uguale o superiore a questa (fattore di Boltzmann) è di 5 x 10-32. La finestra di Gamow ha un massimo a 20 keV. A 93,2 keV la finestra di Gamow non c’è. Il sole è troppo freddo per questa reazione.

La cosa cambia nelle giganti rosse, cioè stelle che nel centro hanno esaurito l’idrogeno e bruciano l’elio. Le temperature sono dieci volte più alte. Adesso il fattore di Boltzmann è di 7,4 x 10-4. L’energia necessaria per la fusione tra due nuclei di elio 4 si trova nell’energia termica.

A cosa serve se il nucleo di berillio 4 nel giro di 6,7 x 10-17 secondi decade in due nuclei di elio4? Tutto come prima?

No. In questi 6,7 x 10-17 secondi c’è una possibilità che il nucleo di berillio 8 fa una fusione con un ulteriore nucleo di elio 4. Questo è la nascita del carbonio 12, che avviene nelle giganti rosse.

L’astrofisica sostiene che si tratta di una fusione simultanea di tre nuclei di elio 4. Si evita così la fusione endotermica. Ma questo processo è di ordini di grandezza meno probabile del processo attraverso il nucleo di berillio 8.

 

La cattura di un elettrone da parte di un nucleo di elio3

 

Il trizio fa una decadimento beta meno e diventa elio 3. (Per trovare l’elio 3 non c’è bisogno di andare sulla luna. Il trizio, usato negli anni sessanta per la produzione di bombe termonucleari, nel frattempo per la maggior parte si è trasformato in elio3.)

La caratteristica di questo decadimento beta meno:

Energia, divisa tra l’energia cinetica dell’elettrone e dell’antineutrino:  18,6 keV

Emivita 12,32 anni.

Questa reazione può essere invertita in vari modi.

Uno è: Cattura di un elettrone da parte di un nucleo di elio 3 e emissione di un neutrino. In questa caso occorre fornire, come energia cinetica dell’elettrone, un energia da 18,6 keV in su. Nella distribuzione delle energie termiche nel sole, a 15 milioni di gradi, questa energia c’è. Il fattore di Boltzmann, che dice quale è la parte delle particelle che hanno un’energia superiore a questa, è di 5,64 x 10-7. La reazione di cattura di elettroni (normalmente non considerata nell’astrofisica) da parte dell’elio 3 all’interno del sole c’è. E’ un modo in cui nasce il trizio.

Elmar Pfletschinger

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10 pensieri su “Le Reazioni Nucleari nel Sole 7: Le reazioni degli isotopi dell’elio e del litio

  1. Dievnta sempre più interessante…
    Da quanto ne sapevo io prima dei tuoi articolo sul sole l’idrogeno si fondeva in elio e poi, con temperature superiori (gignati rosse) l’elio comincoiava a fondere per produrre tutti gli altri elementi…

    Ovviamente la cosa e’ molto più complessa… Come un calderone in cui aumentatndo concentrazioni e temperature vai a cucinare i vari elementi, partendo dall’idrogeno, seguendo le vie più impensate…

    Penso che si stia cercando di mettere insieme le varie reazioni per calcolare l’evoluzione nel tempo degli elementi… che poi fanno variare le pressioni e le temperature… che poi influenzano le reazioni … etc. etc….

    Ciao
    Luca

    P.S.
    Cosa e’ un cerchio di stoccaggio ?????

    Ciao

      (Quote)  (Reply)

  2. Michele :

    OT

    Simon hai posta.
    Io&Fano&Pierluigi attendiamo risposta per spedire mail prof. !

    nn ci ho capito molto, ma che emial dovete spedire e a a quale professore?

    cmq fate pure, di voi mi fido ragazzi!

    simon

      (Quote)  (Reply)

  3. @nitopi
    Il cerchio di stoccaggio fa girare ioni accelerati da un acceleratore. Il cerchio di stoccaggio consiste in un tubo circolare ad altissimo vuoto, dei magneti per fare girare i ioni su traiettorie circolari e in dispositivi per immettere e prelevare ioni accelerati. A Darmstadt (GSI) ne fanno uso intenso.

      (Quote)  (Reply)

  4. Capito.
    Tipo accumulatore per acceleratori di particelle ma a bassa energia (o grosse masse…)

    Conoscevo persone che si occupavano (ai tempi della mia tesi… quindi tanto tempo fa…) alle “trappole”, per reallentare e raffreddare .

    Volevano acchiappare gli antiprotoni , rallentarli fino a “fermarli” per verificare se cadono verso l’alto o verso il basso…. A quei tempi una delle varie teorie implicava che le antiparticelle avrebbero dovuto “cadere vero l’alto” in un campo gravitazionale…. Non e’ che ne sappia molto di più…

    Ciao
    Luca

      (Quote)  (Reply)

  5. @nitopi
    Secondo me non si sa ancora se antiprotoni cadono verso l’alto o in basso. Con un esperimento di intrappolamento non è possibile saperlo. Le forze elettromegnetiche sono talmente superiori che l’effetto della gravità è di fuori portata. E questo vale per tutto il sistema solare.

    Si potrà saperlo solo quando sarà stata creata un quantità macroscopica (penso dell’ordine di grandezza del nanogrammo) di antiidrogeno neutro. Di atomi neutri fino a oggi hanno creato meno di venti e questi sono vissuti per molto meno di un secondo. Siamo lontani.

    Che la gravità sia sempre solo attrattiva non è confermato nè da esperimenti nè da osservazioni. Si basa sul principio dell’equivalenza tra massa inerziale e gravitazionale. Anche questo manca di tutte le conferme necessarie secondo il principio di Galileo Galilei.

    Che l’universo sia fatto di sola materia è un risultato basato sulle osservazioni astronomiche degli anni 60. Le galassie conosciute erano tutte in contatto l’una con l’altra. Se una era di materia, lo erano anche le altre. Nel frattempo si è scoperto che i superammassi di galassie sono separati da enormi spazi vuoti. Il ragionamento degli anni 60 non funziona più. Finora non possiamo sapere se i superammassi di galassie lontani da da noi siano di materia o di antimateria. Una cosa osservata di sicuro: si respingono. Per non ammazzare la vacca sacra della sola forza gravitazionale attrattiva e dell’universo fatto di sola materia, è stato inventato il concetto dell'”energia oscura”, che creerebbe la forza di respingimento.

    In laboratorio la creazione dell’antimateria è sempre, con assoluta precisione, legata alla creazione di un’uguale quantità di materia (meno male). Il bosone di Higgs dovrebbe spiegare tutta l’asimmetria del mondo. Se dicono di averne trovato uno, ma è poco certo, questo non è d’accordo con il principio di Galileo Galilei, che dice che i risultati devono essere RIPRODUCIBILI. Vedremo. Io non ci credo che il bosone di Higgs lo troveranno.

    Con la (ancora virtuale) spettroscopia dei neutrini si potrebbe sapere se un superammasso è di materia o di antimetria. Se osserviamo una supernova di tipo II, se si tratta di materia, arriva prima un impulso di neutrini e dopo un’emissione con coda lunga di antineutrini. Se si tratta di antimateria, arrivano prima gli antineutrini e dopo i neutrini.

      (Quote)  (Reply)

  6. @elmar
    “Finora non possiamo sapere se i superammassi di galassie lontani da da noi siano di materia o di antimateria. Una cosa osservata di sicuro: si respingono. Per non ammazzare la vacca sacra della sola forza gravitazionale attrattiva e dell’universo fatto di sola materia, è stato inventato il concetto dell’”energia oscura”, che creerebbe la forza di respingimento.”

    MIIIIIIIII!!!!!!!!!
    Ho collegato ora
    Sempre stata antipatica l’energia oscura (così come la materia….)

    E’ charo che se tutto l’universo fosse di materia ordinaria ci dovrebbe essere stata una asimmetria che oggi non viene più rilevata (…).
    Preferisco pensare che l’antimateria e la materia si respingono….

    D’altronde se l’antimateria viaggia al contrario nel tempo non puo’ essere che cosi’!. C’e’ una semplice dimostrazione che non riporto per ragioni di spazio (….) 8)

    (adesso taccio e faccio come Femat… e tra 300 anni dimostreranno questa mi affermazione 😉 ) http://it.wikipedia.org/wiki/Fermat

    Ciao
    Luca

      (Quote)  (Reply)

  7. Davvero figo questo articolo!!!

    Endeavour partita, ragazzi!
    Dovrebbe appunto cercare di studiare meglio l’antimateria e compagnia bella.

    Comunque se devo tifare per una teoria, io tifo per “L’ANTIGRAVITA'”, sarebbe fico svolazzare in giro con gli stivali anti-gravitazionali di Spock!! 🙂

    Ciao
    Fano

      (Quote)  (Reply)

  8. Il mio sospetto è che i getti che escono dai buchi neri di materia siano di antimateria. In questi getti hanno trovato positroni. Vedevano la radiazione di anientamento tra positroni e elettroni, che è di 511 keV. Perchè non hanno visto antiprotoni? La radiazione che parte dall’anientamento di protoni con antiprotoni sarebbe di 980 MeV. I sensori andavano fino a 20 MeV e non potavano vedere un’eventuale radiazione di anientamento di antiprotoni.

    In ipernovae, cioè supernovae da stelle con più di 35 masse solari all’inizio, nasce un buco nero. E da questo buco nero nascono dei getti che sono capaci di bucare tutti gli strati della stella. Per me ci riescono solo perchè sono di antimateria. La reazione di anientamento sul fronte di questi getti crea un fortissimo gamma flash, che apre il canale. Il canale resta aperto a causa di repulsione gravitazionale. Io credo che un getto di materia non possa forare una stella di materia.

    Per me l’origine di una parte dei gamma flash (GRB = Gamma Ray Burst) ha l’origine nell’anientamento tra materia e antimateria. Le energia non sono identificabili dato che sono spostate alla grande de effetti doppler.

      (Quote)  (Reply)

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