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