Le reazioni nucleari nel sole 9: Il ciclo Bethe – Weizsäcker oppure CNO (FINE)

Hans Bethe e Carl Friedrich von Weizsaecker (fratello del ex presidente della Repubblica Federale Tedesca) hanno elaborato indipendentemente il ciclo CNO:

12C + 1H              →           13N  + g               + 1,95 MeV

13N                       →           13C   + e+ + νe       +2,22 MeV

13C + 1H              →           14N  + g               + 7,54 MeV

14N + 1H             →           15O  + g               +7,35 MeV

15O                       →           15N  +  e+ + νe      +2,75MeV

15N + 1H             →           12C   + 4He         +4,96 MeV

 

Hans Bethe, tedesco emigrato nel 1933 a causa delle leggi razziali, era il capo del gruppo teoria del progetto Manhattan che nella seconda guerra mondiale ha sviluppato la bomba a fissione.

Carl Friedrich von Weizsaecker aveva l’incarico di sviluppare la bomba a fissione nel Terzo Reich. Lui di seguito diceva che non era possibile per mancanza di risorse e che era contento così. Ha negato la versione che lui avrebbe sabotato questo sviluppo.

Qualche analisi delle reazioni:

Fusione 12C + 1H

L’integrale sulla finestra di Gamow a 15 milioni di gradi è di 2,544 x 10-18. Per confronto: L’integrale sulla finestra di Gamow per la reazione di fusione tra due nuclei di elio 3 è di 1,06 x 10-14.

L’esotermia: 1,95 MeV

Il nucleo che nasce, il 13N, ha il primo livello eccitato a 2,3649 MeV, largo 31,7 keV. Dalla reazione questo livello eccitato non può essere raggiunto, l’energia (esotermia) è insufficiente. Si raggiunge direttamente lo stato fondamentale del azoto 13. Questo riduce ulteriormente la reattività, perché simultaneamente l’energia in eccesso dev’essere consumata con l’emissione di un quanto gamma, cioè un’interazione elettromagnetica.

Al ciclo Bethe Weizsaecker si attribuisce lo 1,7% della produzione dell’energia del sole. Come questo è stato calcolato è introvabile.

Il decadimento beta del azoto 13

L’azoto 13, nato dalla fusione carbonio 12 + idrogeno, fa un decadimento beta più, con l’emissione di un positrone e un neutrino. L’azoto 13 si trasforma in carbonio 13. Dimezzamento in condizioni terrestri: 10 minuti.

In condizioni terrestri un solo modo di decadimento beta è osservabile: L’emissioni di un positrone e di un neutrino. Il nucleo di azoto 13 invece di emettere un positrone potrebbe assorbire anche un elettrone. L’elettrone disponibile è un elettrone interno (1s) dell’atomo. La sua energia è precisamente determinata. Il numero di canali del decadimento “normale” è talmente superiore che la cattura di un elettrone non può essere osservata. Nel centro del sole la densità di elettroni in confronto a quella terrestre è alta e la loro energia è termica. Gli elettroni non sono legati. La probabilità di cattura di un elettrone può essere superiore per svariati ordini di grandezza.

C’è un ulteriore modo di decadimento beta non considerato normalmente:

La cattura simultaneo di un elettrone e di un antineutrino. Anche questa reazione sulla terra non è osservabile. Il numero di “canali” di reazione è piccolissimo. Nel sole invece questo numero di “canali” di reazioni è alto. Questo tipo di decadimento potrebbe essere una delle cause dei neutrini solari in numero troppo piccolo. Ogni volta che viene assorbito un antineutrino, manca un neutrino.

Questo decadimento beta nel sole è più veloce che sulla terra.

Fusione 13C + 1H

L’integrale sulla finestra di Gamow: 2,33 x 10-18. Esotermia: 7,54 MeV

Anche in questa fusione non è raggiungibile un livello eccitato del azoto 14. Procede con l’emissione di un quanto gamma verso un livello inferiore a 7,54 MeV. Tutti questi livelli decadono con l’emissione di quanti gamma verso lo stato fondamentale dell’azoto 14.

Fusione 14N + 1H

L’integrale sulla finestra di Gamow: 1,98 x 10-20. Un po’ piccolo. Si vedono la repulsione elettrostatica maggiore e l’effetto tunnel più modesto. Esotermia:7,35 MeV

Nasce un nucleo di ossigeno 15. Non c’è alcun livello eccitato in corrispondenza con l’energia liberata dalla reazione. Tramite l’emissione di un quanto gamma livello di energia inferiore sono raggiungibili, che decadono tutti verso lo stato fondamentale dell’ossigeno 15.

Il decadimento beta del ossigeno 15

L’ossigeno 15 è un nucleo usato in medicina nucleare. Emette positroni e neutrini. I positroni si annientano immediatamente con elettroni dell’ambiente. Nascono due quanti gamma con 511 keV ciascuno che vanno in direzioni esattamente contrapposte.

La semivita dell’ossigeno 15 in condizioni terrestri è di 122,4 secondi. Diventa azoto 15.

Il decadimento beta più con l’emissione di un positrone trova sempre la concorrenza del assorbimento di un elettrone. L’assorbimento di elettroni sulla terra diventa visibile nelle condizioni in cui l’emissione di un positrone diventa impossibile per mancanza di energia. Se l’emissione del positrone è possibile, l’energia di questo copre tutto lo spettro dell’energia disponibile, mentre l’assorbimento di un elettrone è possibile con un’unica energia precisa, quello dell’elettrone legato.

Nel sole c’è da aspettarsi un assorbimento di elettroni molto più efficace. Il tempo di dimezzamento dell’ossigeno 15 nel sole sarà più breve del tempo terrestre.

C’è un’ulteriore possibilità: anche in questo caso invece dell’emissione di un neutrino, il nucleo può catturare un antineutrino.

La fusione del N15 con un protone

Tradizionalmente questa reazione è scritta così:

15N + 1H             →           12C   + 4He         +4,96 MeV

Come se si trattasse di una reazione diretta. Un errore storico. Il nucleo intermedio è ossigeno 16. Era inconcepibile che il nucleo di ossigeno 16, uno dei più stabili, facesse un decadimento alfa esclusivo. Invece è proprio così.

La reazione è da riscrivere:

15N + 1H             →           16O  + 12,115 MeV         passo 1 della reazione

Oppure

15N + 1H             →           16O *                                                      

 

16O* significa che viene popolato un livello eccitato dell’ossigeno 16. Questo livello si trova a 11,6 MeV ed è largo 0,8 MeV. La reazione di fusione tra azoto 15 e idrogeno 1 avviene in risonanza. Cammina.

Il livello eccitato 11,6 MeV dell’ossigeno 16 è un 3-(3 è l’impulso di rotazione, “meno” sta per la parità, una particolarità della funzione d’onda del nucleo). Significa che il nucleo gira veloce. L’impulso rotativo è di tre unità. Non può decadere con l’emissione di un quanto gamma verso lo stato fondamentale dell’ossigeno (è proibito, ma non impossibile). Potrebbe decadere con una cascata di due o tre emissioni gamma verso questo stato fondamentale. Invece fa un decadimento alfa  verso il carbonio 12. Si può scrivere il secondo passo della reazione:

16O *                     →           12C        +  4,94 MeV       passo 2 della reazione

Questa reazione può popolare il livello base del carbonio 12 oppure il primo livello eccitato a 4,439 MeV

In tutt’e due i casi l’eccesso di energia va in energia cinetica dei nuclei creati, soprattutto nella particella alfa (=nucleo di elio4).

Nel ciclo Bethe Weizsaecker il carbonio 12 viene “riciclato”, fa da catalizzatore. La sua concentrazione nel centro del sole dovrebbe restare costante.

Però:

La concentrazione di carbonio 12 sulla superficie del sole:           3 ppm

Carbonio 12 su giove:                                                                                  tra volte tanto

Ossigeno 16 su giove:                                                                                  trenta volte di meno rispetto al sole

Probabilmente al centro del sole la concentrazione del carbonio 12 è ancora più basso. Basato sull’assunzione che le concentrazioni degli elementi su giove siano uguali a quelle del sole prima dell’innesco delle reazioni nucleari.

Il carbonio nel sole si è consumato. Si è trasformato in ossigeno 16.Come?

La transizione dal nucleo eccitato 11,6 MeV dell’ossigeno verso lo stato fondamentale dell’ossigeno 16 è solo proibita, ma non impossibile. Tanto rara che sulla terra non è stata osservata. Ma nel sole nel giro di 4,6 miliardi di anni questa transizione può aver consumato del carbonio 12.

Ci sarebbe un altro modo per eliminare il carbonio 12:

La fusione tra carbonio 12 e elio 4. Risultato ossigeno 16. L’integrale sulla finestra di Gamow per questa reazione a 15 milioni di gradi è di 1,001 x 10-43. Questo significa che nel sole questa reazione non c’è. Ma nelle stelle più grandi e più caldi del sole si trova.

Conclusione:Dalle differenze di presenza di carbonio 12 e ossigeno 16 tra giove e il sole si possono trarre due conclusioni: Il ciclo Bethe Weizsaecker funzione ed ha un “buco”. Il riciclo del carbonio 12 non è perfetto. Trasforma una piccola parte in ossigeno 16.

-FINE-

Elmar Pfletschinger

24 pensieri su “Le reazioni nucleari nel sole 9: Il ciclo Bethe – Weizsäcker oppure CNO (FINE)

  1. ehehehe, quante belle reazioni, mi fa ricordare il perchè abbia abbandonato la chimica per dedicarmi alla statistica

      (Quote)  (Reply)

  2. Fabio Nintendo :

    ehehehe, quante belle reazioni, mi fa ricordare il perchè abbia abbandonato la chimica per dedicarmi alla statistica

    Ahahahahhaha….e a me fa ricordare perchè dopo 4 volte che davo chimica in medicina, alla quinta mi sn preso 18 cn un calcio nel sedere… 😆

    Cmq complimnti ad Elmar

      (Quote)  (Reply)

  3. Complimenti davvero Elmar per il tuo grande lavoro….purtroppo non posso apprezzarlo fino in fondo perchè di chimica non ricordo moltissimo…..infatti fù il mio primo esame universitario, e la cosa che ricordo meglio è la professoressa……………………..

      (Quote)  (Reply)

  4. Riccardo :

    @ Simon
    Simon se guardi fra i commenti del precedente articolo troverai una mia domanda……..

    Per srcivere gli articoli troverai scritto scrivi nuovo (o nuovo articolo), o una roba del genere…una volta scritto il tuo pezzo (poi lì dovrai imparare da solo le varie funzioni tipo inserire le immagini, ci sn delle icone apposta, se ho imparato io possono imparare tutti) c’è l’ozione salva…ci clicchi sopra e l’articolo va direttamente nelle bozze del blog…chiuso!

    Simon

      (Quote)  (Reply)

  5. @ Simon
    L’ho visto il comando “inserisci immagini” però mi fà inserire le immagini che sono su internet e non le immagini lavorate su paint….siccome l’altro ieri sono stato più di mezzora a provarci senza riuscirci, non sapendo a chi rivolgermi l’ho chiesto gentilmente a te….ma se questa cosa ti infastidisce me lo dici e non ci sono problemi…………

      (Quote)  (Reply)

  6. Riccardo :

    @ Simon
    L’ho visto il comando “inserisci immagini” però mi fà inserire le immagini che sono su internet e non le immagini lavorate su paint….siccome l’altro ieri sono stato più di mezzora a provarci senza riuscirci, non sapendo a chi rivolgermi l’ho chiesto gentilmente a te….ma se questa cosa ti infastidisce me lo dici e non ci sono problemi…………

    Ma che infastidisce caro….!!!????

    guarda, manda un email a fabio 2, lui è più pratico di me, nn è che mi infastidici , è che nn sn pratico, io ti dico solo che a me le immagini le fa mettere, boh strano….cmq manderò un email ad alessio che è il nostro web master, poi ti saprà dire….

    Simon…

    e scusami che se ho dato modo di pensare che mi infastidivi, ci mancherebbe… 😉

      (Quote)  (Reply)

  7. @ Simon
    Figurati…era il “chiuso” con l’esclamativo finale che mi ha fatto pensare che questa cosa ti stesse pesando….comunque ho mandato una mail al buon Fabio sperando che mi spieghi bene….purtroppo non ho mai avuto un buon rapporto con il computer, e quando non riesco a fare le cose mi agito e mi viene la voglio di buttarlo via…..comunque apparte lo stupido fraintendimento che c’è stato, ti ringrazio Simon per la tua attenzione….e scusami tu per tutto il tempo che ti sto facendo perdere per questa stronzata………..

      (Quote)  (Reply)

  8. Riccardo :

    @ Simon
    Figurati…era il “chiuso” con l’esclamativo finale che mi ha fatto pensare che questa cosa ti stesse pesando….comunque ho mandato una mail al buon Fabio sperando che mi spieghi bene….purtroppo non ho mai avuto un buon rapporto con il computer, e quando non riesco a fare le cose mi agito e mi viene la voglio di buttarlo via…..comunque apparte lo stupido fraintendimento che c’è stato, ti ringrazio Simon per la tua attenzione….e scusami tu per tutto il tempo che ti sto facendo perdere per questa stronzata………..

    Figurati riki…

    intanto come già avevod etto qualche giorno fa, il nostro sole ha rialzato un pò la testa…vediamo come evolverà nei prossimi giorni….

      (Quote)  (Reply)

  9. che ne pensate di questa ripresa dell’attività solare?nell’emisfero nord e sud sono comparse 2 nuove regioni che fanno abbastanza paura..e la cosa che fa più pensare è che sono nuove regioni (una delle 2 tra l’altro è già stata protagonista di un flare di classe C)

      (Quote)  (Reply)

  10. Il behind comunque continua a rimanere abbastanza pulito…inoltre la grossa regione nel sud emisfero mostra un poderoso rimescolamento magnetico tipico da max pieno….secondo me anche l’emisfero sud è all’incirca al suo massimo……..

    danyastoria :
    che ne pensate di questa ripresa dell’attività solare?nell’emisfero nord e sud sono comparse 2 nuove regioni che fanno abbastanza paura..e la cosa che fa più pensare è che sono nuove regioni (una delle 2 tra l’altro è già stata protagonista di un flare di classe C)

      (Quote)  (Reply)

  11. @Riccardo

    ciao ho letto del problema a inserire immagini su un articolo:

    ho bisogno di sapere che browser usi? se è axplorer deve essere una versione oltre alla 7 altrimenti non funziona. Microsoft fece le cose sue senza badare agli standar ISO e quindi alcune cose non vanno

    Se usi altri browser nella sez che diceva Simo ci sono 4 piccoli bottoni/mmagine

    tu selezioni il primo e ti apre una finestra in pop up con 3 tab

    1 Dal computer
    2 URL di provenienza
    3 Libreria media

    tu usi la prima e carichi il file dal tuo pc

    poi se non riesci ad usarla subito trovarai il tuo file nella tab 3

    sotto c’è anche qusta opzione “uploader del Browser” piuttosto prova a cliccare lì ed utilizzare
    l’uploader non flash del quale hai magari un’ installazione sporca.
    fammi sapere ciao!!

      (Quote)  (Reply)

  12. danyastoria :che ne pensate di questa ripresa dell’attività solare?nell’emisfero nord e sud sono comparse 2 nuove regioni che fanno abbastanza paura..e la cosa che fa più pensare è che sono nuove regioni (una delle 2 tra l’altro è già stata protagonista di un flare di classe C)

    Guardando lo stereo behind, ma soprattutto lo stereo ahead, si notano zone con poche o nessuna regione attiva. Inoltre, le macchie oggi visibili sono davvero modeste.
    Questo mi fa ritenere che si tratti solo di un sussulto, destinato a scemare se non nel giro di giorni al più quando le regioni ora visibili saranno scomparse sul lato non visibile del Sole
    Vediamo se il Sole mi da ragione…….

      (Quote)  (Reply)

Lascia un commento

Il tuo indirizzo email non sarà pubblicato. I campi obbligatori sono contrassegnati *

Immagine CAPTCHA

*

Aggiungi una immagine

Questo sito usa Akismet per ridurre lo spam. Scopri come i tuoi dati vengono elaborati.