New Ice Age

Fabbrica degli elementi

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Senza questo specifico tipo di carbonio core, che ha origine nel nucleo delle stelle, la vita come la conosciamo non sarebbe stata possibile- e, alla fine, anche l'universo come lo conosciamo. [Immagine: NASA/ESA/STScI/AURA

Praticamente tutti gli elementi chimici più pesanti dell’elio richiedono le condizioni estreme che si trovano   all’interno delle stelle per formarsi.

Nel caso del carbonio-un elemento essenziale per la vita sulla terra- è necessario che il suo nucleo passi attraverso uno  stato intermedio, affinché egli possa formarsi all’interno delle stelle.

Questo stato denominato di Hoyle-è una forma del nucleo di  carbonio ricco  di energia, un passaggio intermedia tra il nucleo di elio e il nucleo di carbonio, molto più pesante.

Il problema è che gli scienziati hanno  cercato di calcolare lo stato di Hoyle per quasi 60 anni, senza successo.

Se lo stato di Hoyle non esistesse, le stelle potrebbero generare solo una piccolissima quantità non solo di carbonio ma anche di altri elementi più pesanti come il ferro, azoto e ossigeno.

Vale a dire che senza questo passaggio intermedio, l’universo non sarebbe più di un gas o un massa gelatinosa, con pochissimi elementi più pesanti.

Senza questo tipo specifico  del nucleo di  carbonio, la vita come la conosciamo non sarebbe stata possibile- e, alla fine, anche l’universo come lo conosciamo non esisterebbe.

Ma la vita e l’universo esistono, con tutti gli elementi pesanti, il pezzo mancante del puzzle dovrebbe essere da qualche parte.

Stato di Hoyle

Il processo di formazione di carbonio all’interno delle stelle è chiamato processo triplo alfa: due particelle alfa che sono i  nuclei di elio, reagiscono per formare il berillio-8, che a sua volta reagisce con una terza particella alfa  per formare il carbonio-12.

Questo, tuttavia, non è il carbonio-12 che conosciamo oggi, ma uno stato  speciale ad alta energia  o  stato di Hoyle.

Lo stato di Hoyle non è esattamente un atomo, ma uno stato di risonanza, che significa che essa non può essere individuata spazialmente e ha una emivita  determinata dalla carenza di energia al limite di emissione della particella.

Solo 1  ogni 2500 stati di risonanza realmente decadono  e generano  una  carbonio-12 stabile, come la conosciamo.

Fred Hoyle previde la risonanza dello stato nel 1954 e per fortuna della vita e forse dell’intero universo, alcuni anni dopo degli esperimenti dimostrarono  la sua esistenza.

Ma, finora, nessuno era in grado di comprendere esattamente lo stato di risonanza e descriverlo matematicamente.

EURECA

“Ma ora, ci siamo riusciti,” celebra il Dr. Ulf-g. Meibner, dell´Università di Bonn, in Germania. “Tentativi per calcolare lo stato di Hoyle hanno fallito dal 1954″.

Immaginiamo lo stato di Hoyle come una sola strada che collega  due valli, separate da una catena montuosa. Nella prima valle, tutti i percorsi portano a questa unica strada-senza via d’uscita, e quindi non si può arrivare  alla prossima  valle.

Nella prima valle, tutto quello che si dispone ha tre nuclei di elio. Essi devono passare per arrivare dall´altra parte, e quello che esce é un atomo di carbonio molto più pesante.

Il problema è come questi tre nuclei debolmente connessi, praticamente una “nuvola” di nuclei di elio, si  condensano nell’atomo di carbonio.

Principi primi

“Questo è come se si voleva analizzare un segnale radio, dove un trasmettitore principale e più trasmettitori secondari  stessero interferendo l´uno con l´altro,” illustra il Dr. Evgeny Epelbaum, co-autore della ricerca.

Il trasmettitore principale è il nucleo stabile di carbonio da cui la vita si é  strutturata.

“Ma siamo interessati a un nucleo di carbonio instabile e pieno di energia, per questo dobbiamo  separare il segnale più debole del trasmettitore radio da quello che ha segnale più forte e dominante attraverso un filtro di rumore,” spiega Epelbaum.

Secondo i ricercatori, questi calcoli erano falliti perché non si stava adottando  una sufficiente precisione per le forze che agiscono tra i vari nuclei, -è quello che gli scienziati chiamano calcolo dei primi principi, che partono dalle più fondamentali  forze della natura per simulare l´evoluzione, in questo caso, degli atomi di carbonio.

Dopo una settimana di utilizzo di un supercomputer, gli scienziati hanno ottenuto risultati che corrispondono così bene con i dati sperimentali che credono effettivamente di aver calcolato  lo stato di Hoyle.

Principio antropico

“Ora possiamo esaminare questo nucleo essenziale di carbonio in ogni dettaglio,” dice il Dr. Meibner. “Stabiliremo le dimensioni e la sua struttura. E questo significa anche che ora possiamo esaminare in dettaglio l’intera catena di formazione degli elementi chimici”.

Per decenni, lo stato di Hoyle è stato il miglior esempio per la teoria che le costanti fondamentali della natura devono avere, perché altrimenti non saremmo qui a osservare l’universo-questo è chiamato il principio antropico.

“Per stato di Hoyle, significa che egli deve avere esattamente la quantità di energia che  ha, altrimenti noi non esisteremmo,” dice il Dr. Meibner. “Ora possiamo calcolare se, in un mondo diverso, con altri parametri, lo stato di Hoyle avrebbe effettivamente  un’energia diversa se confrontato con la massa di tre nuclei di elio.”

Se questo è confermato, i calcoli del   principio antropico sarebbero convalidati scientificamente.

Calcolo di ab initio dello stato Hoyle
Evgeny Epelbaum, Hermann Krebs, Dean Lee, Ulf-g. Meibner
Physical Review Letters
09 Maggio 2011
Vol.: 106, 192501 (2011)
DOI: 10.1068 / PhysRevLett. 106.192501

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⁺ + ν_e       +2,22 MeV

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

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

15O                       →           15N  +  e⁺ + ν_e      +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

Nel capitolo nr. 7 delle reazioni nucleare nel sole è stata trattata l’inversione del decadimento beta meno del trizio. In quel caso il nucleo di elio 3 assorbe un elettrone con un energia uguale o superiore a 18,6 keV e emette un neutrino con l’eventuale eccesso di energia.

C’è un ulteriore modo di inversione della reazione (ancora più “eretico”, cioè non considerato dall’astrofisica attuale):

La cattura simultanea di un elettrone e di un antineutrino. Questo processo sulla terra è talmente raro che non può essere osservato. L’elettrone da assorbire è sempre un elettrone legato al nucleo dell’elio 3 e l’energia dell’antineutrino dovrebbe essere il complimento di questa energia. Antineutrini con l’energia necessaria sono quindi una parte infinitesimale dello spettro degli antineutrini. Dal tempo di decadimento del tritio in elio 3 è possibile calcolare con la relazione di Heisenberg quanto è la parte dello spettro che può essere assorbita.

Nel sole le condizioni sono diverse. Gli elettroni non hanno un’unica energia, ma dimostrano una distribuzione termica di energie, che vanno anche oltre l’energia che corrisponde al dislivello energetico di 18,6 keV tra tritio e elio3. L’antineutrino deve portare L’energia complementare all’energia dell’elettrone. Gli antineutrini con energie tra 0 e 18,6 keV possono essere assorbiti.

Nel sole, ogni volta che un protone si trasforma in un neutrone,  può essere emesse un neutrino o assorbito un antineutrino.

Il numero di neutrini osservati provenienti dal sole è inferiore rispetto al numero di protoni trasformati in neutroni. L’attuale spiegazione di questo fenomeno è che i neutrini elettronici si trasformano in neutrini muonici e tau e che quindi i sensori usati non li possono vedere. (http://en.wikipedia.org/wiki/Neutrino_oscillations). Una spiegazione notevolmente più semplice sarebbe che quelli non osservati non sono mai nati, o almeno in parte.

Nel capitolo 5 è stato spiegato da dove vengono tutti questi antineutrini.

Una valutazione quantitativa del fenomeno dell’assorbimento simultaneo di elettroni e antineutrini dovrebbe essere possibile.

 C’è qualcuno capace di farlo?

Elmar P.

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

L’associazione per la divulgazione scientifica e la comunicazione della scienza di Castel San Pietro Terme (Bologna), il Salto Quantico, organizzerà un seminario scientifico il 5 Maggio.

La lezione dal titolo: “Report Sole –   La Fisica del Sole e i Suoi Effetti sulla Terra“ verrà svolta dall’astrofisico PhD. Massimo Teodorani (http://www.saltoquantico.altervista.org/dwn/MT.pdf).

http://www.saltoquantico.altervista.org/dwn/RptSole.pdf)

per ulteriori informazioni

Indirizzo email : saltoquantico@altervista.org

segreteria: 347 4081483

http://www.saltoquantico.altervista.org

Credo sarà una bella serata e  spero di incontrare altri appassionati della nostra Stella. Andrea B

Nel nucleo del sole il deuterio, nato dalla fusione p – p, è circondato soprattutto da idrogeno e da elio 4. La concentrazione del deuterio sulla superficie del sole è dell’ordine di grandezza di una particella su diecimila. Si stima che al centro la sua concentrazione sia ancora più bassa.

La reazione principale, deuterone + protone:

Le probabilità di trovarsi nella finestra di Gamow, cioè l’integrale sulla finestra di Gamow, a 15 milioni di gradi::

Deuterone protone:      6,488 x 10^-5

Per confronto

Protone protone:           1,78 x 10^-4

Dalla reazione deuterone protone nasce un nucleo di elio 3. C’è un problema: In questa reazione avanza un energia di 4,786 MeV e l’elio 3 non ha nessun livello eccitato. Il nucleo intermedio che possa tenere questo eccesso di energia non esiste. Per questa reazione occorre un’emissione simultanea di un quanto gamma con l’eccesso di energia. L’interazione elettromagnetica che determina l’emissione del quanto di raggi gamma è abbastanza veloce (ordine di grandezza: intorno a 10 ^-14 s) e la reazione avviene facilmente. Si scrive questa reazione:  d(p,gamma)3He.

La reazione di fusione tra deuterio e elio 4 non può funzionare, manca l’energia necessaria.

Le reazioni tra nuclei presenti in basse concentrazioni:

Fusioni  deuterio e trizio

Fusione deuterio e elio 3

Fusioni deuterio – deuterio

La reazione deuterio – trizio

Questa è la reazione di fusione nucleare meglio nota sulla terra. E’ alla base della bomba termonucleare, che funziona, ed è alla base della fusione controllata che dovrebbe produrre energia elettrica. Gli impianti pilota diventano sempre più grandi, ma nessun’impianto ha prodotto più del 40% dell’energia consumata per farlo funzionare.

Nel sole questa reazione è marginale. I nuclei di partenza sono tutt’e due di bassa concentrazione.

Questa reazione nei testi tradizionali viene descritta come T(d,n)4He, tralasciando il nucleo intermedio, elio 5. Questo nucleo intermedio fino a poco fa non era noto. Sulla mappa dei nuclidi (Karlsruher Nuklidkarte, Forschungszentrum Karlsruhe GmbH), edizione 1995  è segnato ancora come campo bianco, cioè inesistente. Di recente si sa che esiste (Nudat 2 e Karlsruher Nuklidkarte edizione 2005).

Il nucleo di elio 5 è estremamente instabile. Decade con l’emissione di un neutrone in 0,76 x 10^-21  secondi (tempo di dimezzamento). Livelli eccitati dell’elio 5 non sono noti, ma la vita brevissima del nucleo ha come conseguenza che i livelli eccitati sarebbero comunque estremamente larghi.

Il neutrone emesso dal nucleo di elio 5 ha un’energia di 14,1 MeV.  La maggior parte dei neutroni nati da questa reazione va assorbita da protoni che così diventano deuteroni.

La reazione deuterio elio3

In tutta la letteratura si trova che questa reazione produce elio 4 e un protone. Senza indicare nessun nucleo intermedio, come se fosse una reazione diretta. Il motivo: Il nucleo intermedio, litio 5, non era noto. Nella Nuklidkarte, edizione 1995, è inesistente. Nella Nuklidkarte edizione 2005 c’è. Emivita: 0,37 x  10^-21 secondi. Vita un po’ breve. Decade in elio 4 e un protone.  Livelli eccitati: sconosciuti, ma data la brevità della vita, si può praticamente contare su un continuo di energie assorbibili. L’energia liberata nella formazione del litio5 e di 14,56 MeV.

Tanto bene ovviamente non va questa reazione. L’elio 3 sul sole c’è, non è consumato del tutto. Si trova nel vento solare. Si è depositato sulla luna. La NASA sostiene che verrebbe la pena portarlo sulla terra, sarebbe utile per reattori a fusione. Non è chiaro come. La reazione da usare sarebbe deuterio + elio3. In un reattore la reazione deuterio – deuterio sarebbe prevalente e l’elio 3 avanzerebbe, sarebbe inutile.

La reazione tra due nuclei di deuterio

La reazione di due deuteroni tra di loro porta a un nucleo intermedio di elio 4, eccitato. Questo modo di descrivere la reazione è insolita, per il motivo che i livelli eccitati dell’elio 4 non erano noti fino a poco fa. La reazione era sempre descritta come reazione diretta con due possibilità di risultato. C’è però il fatto che le reazioni dirette non ci sono alle bassissime energie. Le fusione di due nuclei di deuterio che porta all’elio 4 è esoterma. L’eccesso di energia è di 23,85 MeV.

Con questo eccesso di energia sono raggiungibili tre livelli eccitati diversi dell’elio 4:

Energia livello                   Larghezza livello              Decadimenti livello

21,010 MeV                       0,84 MeV                            24% emissione neutrone, 76%  emissione protone

21,840 MeV                       2,01 MeV                            37% emissione neutrone, 63%  emissione protone

23,330 MeV                       5,01 MeV                            47% emissione neutrone, 53%  emissione protone

Fonte: Nudat 2, http://www.nndc.bnl.gov/nudat2/

Il raggiungimento del livello 21,010 MeV è da considerarsi trascurabile rispetto agli altri due.

Il raggiungimento del livello base dell’elio4 tramite l’emissione di un quanto di radiazione gamma è proibita (proibito anche nella fisica nucleare non vuol dire che non succede. Anche la fisica nucleare distingue tra proibito e impossibile). Viene stimato che avviene in meno di uno su un milione di casi.

Dalla reazione di due nuclei di deuterio quindi nasce in prevalenza trizio e un po’ di meno elio3.

Dalla reazione deuterio –  elio 4 nascerebbe il litio 6

Ma nel sole il litio 6 praticamente non c’è. Un controllo del calore di questa reazione ha come risultato che questa reazione sarebbe endotermica. La stabilità dei nuclei di partenza, deuterio e elio 4 è superiore a quella del litio 6. Questa reazione non c’è.

Elmar Pfletschinger

Il decadimento beta del neutrone si può invertire?

Neutroni decadono in protoni, elettroni e antineutrini:

La emivita del neutrone i 10 minuti 14 secondi. La creazione dell’elettrone richiede un energia di 511 keV. C’è un avanzo di energia di 782,3 keV che si divide in maniera casuale tra le energie cinetiche dell’elettrone e dell’antineutrino. Lo spettro degli impulsi degli elettroni mostra un massimo approssimativamente a metà dell’impulso massimo. Lo spettro delle energie degli elettroni ha un massimo spostato verso energie basse rispetto alla metà dell’energia massima, lo spettro energetico degli antineutrino mostra un massimo spostato verso energie più alte.

(http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/particles/proton.html#c4 )

L’inversione del decadimento beta del neutrone può seguire  vari modi:

                          reazione 1

                               reazione 2

La reazione 1 vuol dire che protoni possono catturare elettroni con un’energia sopra 782,3 keV. L’eventuale eccesso di energia va al neutrino. Nel sole non c’è nessun elettrone con questa energia. Nelle formule delle reazioni è stato considerato che l’assorbimento di un elettrone significa un apporto di energia di 511 keV, corrispondente alla massa di riposo dell’elettrone.

La reazione 2 vuol dire che l’elettrone assorbito può avere qualsiasi energia bassa e che l’energia mancante viene dall’antineutrino.

Perché questa reazione, che trasforma protoni in neutroni non avviene sulla terra? Non si può stabilire che non avvenga. L’esperienza dice solo che è tanto rara che non si nota.

Si può spiegare perché sulla terra è estremamente rara o inesistente: L’elettrone da catturare è sempre l’elettrone legato chimicamente. La sua energia è perfettamente determinata. L’antineutrino deve portare l’energia complementare per arrivare a 782,3 keV. La precisione con cui l’antineutrino deve avere questa energia complimentare è di 10^-19eV (si calcola con la relazione di indeterminazione di Heisenberg e dalla vita media del neutrone di 884,4 secondi).

Bisognerebbe sapere qualcosa di più della spettroscopia degli antineutrini che sono in giro dappertutto.

Esaminando la provenienza degli antineutrini si può fare qualche approssimazione grossolana.

Gli antineutrini vengono soprattutto dalle supernovae. Nella prima fase della supernova, quella del collasso, protoni si trasformano in neutroni. In quantità, cioè masse solari abbondanti. Nella seconda fase quella del rimbalzo di neutroni dal nucleo duro, neutroni si incontrano con elementi che cadono verso il nucleo. Questi elementi assorbono i neutroni, anche in numero elevatissimo (“processo R”). Gli elementi che nascono mostrano un grande eccesso di neutroni e fanno decadimenti beta. Ogni decadimento beta produce anche un antineutrino. La tempistica delle emissioni è molto diversa: I neutrini nella prima fase della supernova partono in un tempo dell’ordine di grandezza del decimo di secondo. Gli antineutrini dalla seconda fase hanno la tempistica dei decadimenti beta, all’inizio l’intensità è alta, la coda va fino a tempi lunghissimi, cioè miliardi di anni. Tutte le supernovae dell’universo messo insieme sono sorgente di un flusso relativamente regolare di antineutrini.

Però: Gli antineutrini, prima di arrivare alla terra o al sole devono attraversare nubi di idrogeno di massa galattica. In questi nubi gli elettroni sono legati a atomi di idrogeno. Gli antineutrini con l’energia complementare precisa per essere assorbiti dagli atomi di idrogeno, quando arrivano alla terra o al sole, questa reazione l’hanno già fatta. Si può ipotizzare che gli antineutrini con questa energia precisa manchino nello spettro.

Qualcuno potrebbe esserci ancora e potrebbe trasformare qualche protone sulla terra in un neutrone. Questo fenomeno, se esiste, sparisce nel fondo di neutroni che sono presenti comunque. I neutroni di fondo sulla terra (che sono causa del limite del metodo C14 di circa 40000 anni), nascono dal bombardamento di nuclei leggeri con particelle alfa, che vengono dalle catene di decadimenti dell’uranio 238, dell’uranio 235 e del torio 232. Inoltre vengono da fissioni spontanee dei nuclei pesanti, esempio: uranio 238.

Nel centro del sole le condizioni ambientali non sono quelle della terra.  A 15 milioni di gradi, al centro del sole nessun elettrone è legato a un protone. Gli elettroni si muovono liberamente, le loro energie cinetiche sono quelle dello spettro termico. Il picco dell’energia termica è intorno a 625 eV, ma si trova un numero ancora apprezzabile di elettroni fino a 50 keV. L’energia di questi elettroni da sola è insufficiente per trasformare un protone in un neutrone, ma se un antineutrino porta l’energia mancante, questa trasformazione può succedere. Gli antineutrini con queste energie ci sono. Non hanno traversato nubi di idrogeno caldo. Quelle nubi non ci sono.

Se dall’assorbimento simultaneo di un elettrone e di un antineutrino nasce un neutrone, la prossima reazione è immediata: L’assorbimento dell’neutrone da parte di un protone con la conseguente nascita di un nucleo del deuterio.

L’ipotesi è che questo processo entri in concorrenza con la fusione di due protoni, descritta in precedenza.

Questa reazione potrebbe anche spiegare l’irregolarità del comportamento del sole. Il flusso di antineutrini è irregolare. Le irregolarità istantanee di reazioni all’interno del sole appaiono sulla superficie del sole ridistribuite su circa 100000 anni. Questo può spiegare  perché la costante solare nonostante tutto è abbastanza costante.

Questa reazione potrebbe anche spiegare perché dal sole arrivano molto meno antineutrini di quelli che dovrebbero nascere dalla fusione di due protoni. Le spiegazioni attuali che dicono che i neutrini si trasformano, mancano di conferme sperimentali.

Elmar Pfletschinger