โซ่โปรตอน-โปรตอน
ปฏิกิริยาลูกโซ่ โปรตอน-โปรตอนหรือที่เรียกกันทั่วไปว่าปฏิกิริยาลูกโซ่p-pเป็นหนึ่งในสองชุด ปฏิกิริยา ฟิวชั่นนิวเคลียร์ที่ดาวฤกษ์ ใช้ใน การเปลี่ยนไฮโดรเจนเป็นฮีเลียม ปฏิกิริยา นี้มีบทบาทสำคัญในดาวฤกษ์ที่มีมวลน้อยกว่าหรือเท่ากับมวลของดวงอาทิตย์ [ 2 ]ในขณะที่วัฏจักร CNOซึ่งเป็นปฏิกิริยาอีกแบบหนึ่งที่รู้จักกันนั้น แบบจำลองทางทฤษฎีเสนอแนะว่ามีบทบาทสำคัญในดาวฤกษ์ที่มีมวลมากกว่าประมาณ 1.3 เท่าของมวลของดวงอาทิตย์[ 3 ]
โดยทั่วไป ปฏิกิริยาฟิวชันระหว่างโปรตอนจะเกิดขึ้นได้ก็ต่อเมื่อพลังงานจลน์ ( อุณหภูมิ ) ของโปรตอนสูงพอที่จะเอาชนะแรงผลักทางไฟฟ้าสถิต ระหว่างกัน ได้
ในดวงอาทิตย์ เหตุการณ์การผลิต ดิวเทอรอนเกิดขึ้นได้ยากไดโปรตอนเป็นผลลัพธ์ที่พบได้บ่อยกว่ามากจากปฏิกิริยาโปรตอน-โปรตอนภายในดาวฤกษ์ และไดโปรตอนจะสลายตัวกลับไปเป็นโปรตอนสองตัวเกือบจะในทันที เนื่องจากการเปลี่ยนไฮโดรเจนเป็นฮีเลียมนั้นช้า การเปลี่ยนไฮโดรเจนทั้งหมดที่อยู่ในแกนกลางของดวงอาทิตย์ ในตอนแรก จึงคำนวณได้ว่าจะใช้เวลามากกว่า 10,000 ล้านปี[ 4 ]
แม้ว่าบางครั้งจะเรียกว่า "ปฏิกิริยาลูกโซ่โปรตอน-โปรตอน" แต่มันไม่ใช่ปฏิกิริยาลูกโซ่ในความหมายปกติ ในปฏิกิริยานิวเคลียร์ส่วนใหญ่ ปฏิกิริยาลูกโซ่หมายถึงปฏิกิริยาที่สร้างผลิตภัณฑ์ เช่น นิวตรอนที่ปล่อยออกมาในระหว่างการแตกตัวซึ่งจะกระตุ้นให้เกิดปฏิกิริยาลูกโซ่อื่นอย่างรวดเร็ว ปฏิกิริยาลูกโซ่โปรตอน-โปรตอนนั้นเหมือนกับปฏิกิริยาลูกโซ่การสลายตัว คือ เป็นชุดของปฏิกิริยา ผลิตภัณฑ์ของปฏิกิริยาหนึ่งเป็นสารตั้งต้นของปฏิกิริยาถัดไป มีปฏิกิริยาลูกโซ่หลักสองสายที่นำจากไฮโดรเจนไปสู่ฮีเลียมในดวงอาทิตย์ สายหนึ่งมีห้าปฏิกิริยา อีกสายหนึ่งมีหกปฏิกิริยา
ประวัติความเป็นมาของทฤษฎี
ทฤษฎีที่ว่าปฏิกิริยาโปรตอน-โปรตอนเป็นหลักการพื้นฐานที่ทำให้ดวงอาทิตย์และดาวฤกษ์ดวงอื่น ๆ เกิดการเผาไหม้นั้น ได้รับการสนับสนุนโดยอาร์เธอร์ เอ็ดดิงตันในช่วงทศวรรษ 1920 ในขณะนั้น อุณหภูมิของดวงอาทิตย์ถือว่าต่ำเกินไปที่จะเอาชนะกำแพงคูลอมบ์ ได้ หลังจากที่ กลศาสตร์ควอนตัมได้รับการพัฒนาขึ้นก็ได้ค้นพบว่าการทะลุผ่านของฟังก์ชันคลื่นของโปรตอนผ่านกำแพงผลักกันนั้น ทำให้เกิดปฏิกิริยาฟิวชันได้ที่อุณหภูมิต่ำกว่าที่ คาดการณ์ไว้ใน ทฤษฎีคลาสสิก
ในปี พ.ศ. 2481 Hans BetheและCL Critchfieldเสนอว่าโปรตอนสองตัวรวมกันเพื่อให้ได้ นิวเคลียส ของดิวเทอเรียมและโพซิตรอน เป็นปฏิกิริยาการจุดระเบิดหลักของปฏิกิริยานิวเคลียร์ลูกโซ่ pp ของดวงอาทิตย์[ 5 ]ซึ่งปัจจุบันรู้จักกันในชื่อสาขาที่ 2 ของลูกโซ่โปรตอน-โปรตอน ปฏิกิริยาของ3 สองตัวนิวเคลียส ของฮีเลียม (สาขาที่ 1) ยังไม่เป็นที่รู้จักในเวลานั้น[ 6 ]นี่เป็นส่วนหนึ่งของงานวิจัยเกี่ยวกับการสังเคราะห์นิวเคลียสของดาวฤกษ์ซึ่งทำให้เบเธได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ในปี พ.ศ. 2510
ในปี 2014 ความร่วมมือของ Borexinoได้ทำการวัดนิวตริโน pp แบบเรียลไทม์โดยตรงเป็นครั้งแรก โดยรายงานฟลักซ์นิวตริโนที่ (6.6 ± 0.7)×10 10 cm -2 ⋅s -1 [ 7 ]การวัดนี้สอดคล้องกับการคาดการณ์จาก แบบ จำลองดวงอาทิตย์มาตรฐาน (5.98 ± 0.04)×10 10 cm -2 ⋅s -1 [ 7 ] [ 8 ]
โซ่โปรตอน-โปรตอน
ขั้นตอนแรกในทุกสาขาคือการหลอมรวมโปรตอน สองตัว ให้กลายเป็นดิวเทอรอนเมื่อโปรตอนหลอมรวมกัน โปรตอนตัวหนึ่งจะสลายตัวแบบเบตาพลัสเปลี่ยนเป็นนิวตรอนโดยปล่อยโพซิตรอนและนิวตริโนอิเล็กตรอน ออกมา [ 9 ] (แม้ว่าจะมีนิวเคลียสของดิวเทอเรียมจำนวนเล็กน้อยที่ผลิตโดยปฏิกิริยา "pep" ดูด้านล่าง)
| พี | + | พี | → | 2 ดี | + | อี+ | + | ν | + | 0.42 เมกะอิเล็กตรอนโวลต์ |
โพซิตรอนจะทำปฏิกิริยาทำลายล้างกับอิเล็กตรอนจากสิ่งแวดล้อม กลายเป็นรังสีแกมมา สองอนุภาค เมื่อรวมการทำลายล้างนี้และพลังงานของนิวตริโนแล้ว ปฏิกิริยาสุทธิจะเป็นดังนี้
| พี | + | พี | + e −→ 2 D | + | ν | + | 1.442 เมกะอิเล็กตรอนโวลต์ |
มีค่าQ ( พลังงาน ที่ปล่อยออกมา ) เท่ากับ 1.442 MeV : [ 9 ] ปริมาณพลังงานสัมพัทธ์ที่ส่งไปยังนิวตริโนและผลิตภัณฑ์อื่นๆ นั้นแปรผันได้
นี่คือปฏิกิริยาที่จำกัดอัตราและช้ามากเนื่องจากเริ่มต้นด้วยแรงนิวเคลียร์ที่อ่อนแอโปรตอนโดยเฉลี่ยในแกนกลางของดวงอาทิตย์ต้องรอ 9 พันล้านปีก่อนที่จะรวมตัวกับโปรตอนอีกตัวได้สำเร็จ ไม่สามารถวัดภาคตัดขวางของปฏิกิริยานี้ได้จากการทดลองเนื่องจากมีค่าต่ำมาก[ 10 ]แต่สามารถคำนวณได้จากทฤษฎี[ 1 ]
หลังจากที่ดิวเทอรอนที่เกิดขึ้นในขั้นตอนแรกก่อตัวขึ้นแล้ว มันสามารถรวมตัวกับโปรตอนอีกตัวหนึ่งเพื่อสร้างไอโซโทปของฮีเลียมที่มีเสถียรภาพและเบาได้ 3เขา :
| 2 ดี | + | 1 H | → | 3 เขา | + | γ | + | 5.493 MeV |
กระบวนการนี้ซึ่งเกิดขึ้นโดยแรงนิวเคลียร์ที่แข็งแกร่งมากกว่าแรงนิวเคลียร์ที่อ่อนแอ จะเกิดขึ้นอย่างรวดเร็วมากเมื่อเทียบกับขั้นตอนแรก มีการประมาณว่าภายใต้เงื่อนไขในแกนกลางของดวงอาทิตย์ นิวเคลียสของดิวเทอเรียมที่สร้างขึ้นใหม่แต่ละตัวจะมีอยู่ได้เพียงประมาณหนึ่งวินาทีก่อนที่จะถูกเปลี่ยนเป็นฮีเลียม-3 [ 1 ]
ในดวงอาทิตย์ นิวเคลียสฮีเลียม-3 แต่ละตัวที่ผลิตขึ้นในปฏิกิริยาเหล่านี้จะคงอยู่ได้เพียงประมาณ 400 ปี ก่อนที่จะถูกเปลี่ยนเป็นฮีเลียม-4 [ 11 ]เมื่อฮีเลียม-3 ถูกผลิตขึ้นแล้ว มีเส้นทางที่เป็นไปได้สี่เส้นทางในการสร้าง4ใน p–p I ฮีเลียม -4 ถูกสร้างขึ้นโดยการหลอมรวมนิวเคลียสของฮีเลียม-3 สองตัวเข้าด้วยกันกลายเป็นเบริลเลียม-6ซึ่งจะปล่อยโปรตอนสองตัวออกมา ทันที เพื่อกลายเป็นฮีเลียม-4 ส่วนสาขา p–p IIและ p–p III นั้น หลอมรวม 3เขามีโรคประจำตัวอยู่ก่อนแล้ว4 โรคฮีเลียมจะสร้างเบริลเลียม-7ซึ่งจะเกิดปฏิกิริยาต่อไปเพื่อสร้างนิวเคลียสของฮีเลียม-4 สองตัว
พลังงานที่ปล่อยออกมาจากดวงอาทิตย์ประมาณ 99% มาจาก ห่วงโซ่ p–p ต่างๆ ส่วนอีก 1% มาจากวัฏจักร CNOตามแบบจำลองหนึ่งของดวงอาทิตย์ 83.3 เปอร์เซ็นต์ของ4นิ วตริโนที่ผลิตโดยสาขา p–pต่างๆผลิตผ่านสาขา I ในขณะที่ p–p IIผลิตได้ 16.68 เปอร์เซ็นต์ และ p–p III ผลิตได้ 0.02 เปอร์เซ็นต์ [ 1 ]เนื่องจากนิวตริโนครึ่งหนึ่งที่ผลิตในสาขา II และ III นั้นผลิตในขั้นตอนแรก (การสังเคราะห์ดิวเทอรอน) ดังนั้นนิวตริโนเพียงประมาณ 8.35 เปอร์เซ็นต์เท่านั้นที่มาจากขั้นตอนต่อมา (ดูด้านล่าง) และประมาณ 91.65 เปอร์เซ็นต์มาจากการสังเคราะห์ดิวเทอรอน อย่างไรก็ตาม แบบจำลองดวงอาทิตย์อีกแบบหนึ่งจากช่วงเวลาเดียวกันให้เพียง 7.14 เปอร์เซ็นต์ของนิวตริโนจากขั้นตอนต่อมา และ 92.86 เปอร์เซ็นต์จากการสังเคราะห์นิวเคลียสของดิวเทอเรียม [ 12 ]ความแตกต่างนี้เห็นได้ชัดว่าเกิดจากสมมติฐานที่แตกต่างกันเล็กน้อยเกี่ยวกับองค์ประกอบและโลหะของดวงอาทิตย์
นอกจากนี้ยังมี สาขา p–p IV ที่หายากมาก อีกด้วย ปฏิกิริยาที่หายากยิ่งกว่านี้อาจเกิดขึ้นได้อีก อัตราการเกิดปฏิกิริยาเหล่านี้ต่ำมากเนื่องจากพื้นที่หน้าตัดเล็กมาก หรือเนื่องจากจำนวนอนุภาคที่ทำปฏิกิริยามีน้อยมากจนปฏิกิริยาใดๆ ที่อาจเกิดขึ้นนั้นไม่มีนัยสำคัญทางสถิติ
ปฏิกิริยาโดยรวมคือ:
ปล่อยพลังงานออกมา 26.73 MeV ซึ่งส่วนหนึ่งสูญเสียไปกับนิวตริโน
สาขาp –p I
| 3 เขา | + | 3 เขา | → | 4 เขา | + | 2 1 H | + | 12.859 เมกะอิเล็กตรอนโวลต์ |
การรวมตัวของนิวเคลียส3 He สองตัวก่อให้เกิดนิวเคลียส 6 Beซึ่งจะปล่อยโปรตอนออกมาสองตัวทันที ปฏิกิริยาลูกโซ่ทั้งหมดจะปล่อยพลังงานสุทธิออกมาเท่ากับ26.732 MeV [ 13 ]แต่พลังงาน 2.2 เปอร์เซ็นต์ (0.59 MeV) สูญเสียไปกับนิวตริโนที่ผลิตขึ้น[ 14 ] สาขาp–p Iมีบทบาทเด่นที่อุณหภูมิ 10 ถึง18 MK . [ 15 ] ด้านล่าง10 MKโซ่p–pดำเนินไปในอัตราที่ช้า ส่งผลให้ได้ผลผลิต4 ในปริมาณต่ำเขา[ 16 ]
สาขาp–p II
| 3 เขา | + | 4 เขา | → | 7 บี | + | γ | + | 1.59 เมกะอิเล็กตรอนโวลต์ | ||
| 7 บี | + | อี− | → | 7 หลี่ | + | ν | + | 0.861 เมกะอิเล็กตรอนโวลต์ | / | 0.383 เมกะอิเล็กตรอนโวลต์ |
| 7 หลี่ | + | 1 H | → | 2 4 เขา | + | 17.35 เมกะอิเล็กตรอนโวลต์ |
สาขาp–p IIมีบทบาทเด่นที่อุณหภูมิ 18 ถึง25 MK . [ 15 ]
โปรดทราบว่าพลังงานในปฏิกิริยาที่สองข้างต้นคือพลังงานของนิวตริโนที่เกิดขึ้นจากปฏิกิริยานั้น 90 เปอร์เซ็นต์ของนิวตริโนที่เกิดขึ้นในปฏิกิริยาของ7อยู่ที่7ลิเธียมมีพลังงานอยู่0.861 MeVในขณะที่อีก 10 เปอร์เซ็นต์ที่เหลือมีพลังงาน0.383 MeVความแตกต่างอยู่ที่ว่าลิเธียม-7 ที่เกิดขึ้นนั้นอยู่ในสถานะพื้นฐานหรือสถานะกระตุ้น ( สถานะ กึ่งเสถียร ) ตามลำดับ พลังงานทั้งหมดที่ปล่อยออกมาจาก7มีเสถียรภาพ7พลังงานของลิเธียมอยู่ที่ประมาณ 0.862 MeV ซึ่งเกือบทั้งหมดจะสูญเสียไปกับนิวตริโนหากการสลายตัวเกิดขึ้นโดยตรงไปยังลิเธียมที่เสถียร
สาขาp–p III
| 3 เขา | + | 4 เขา | → | 7 บี | + | γ | + | 1.59 เมกะอิเล็กตรอนโวลต์ | ||
| 7 บี | + | 1 H | → | 8 บี | + | γ | ||||
| 8 บี | → | 8 บี | + | อี+ | + | ν | ||||
| 8 บี | → | 2 4 เขา |
สามขั้นตอนสุดท้ายของห่วงโซ่นี้ บวกกับการทำลายโพซิตรอน ก่อให้เกิดพลังงานรวม 18.209 MeV แม้ว่าพลังงานส่วนใหญ่จะสูญเสียไปกับนิวตริโนก็ตาม
สาย โซ่ p–p IIIจะเด่นหากอุณหภูมิสูงกว่า25 MK . [ 15 ]
ปฏิกิริยาp–p IIIไม่ใช่แหล่งพลังงานหลักในดวงอาทิตย์ แต่มีความสำคัญมากในปัญหาของนิวตริโนจากดวงอาทิตย์เพราะมันสร้างนิวตริโนที่มีพลังงานสูงมาก (สูงถึง14.06 MeV )
สาขาp–p IV (Hep)
ปฏิกิริยานี้ได้รับการทำนายไว้ในเชิงทฤษฎี แต่ไม่เคยมีการสังเกตพบเนื่องจากเกิดขึ้นได้ยาก (ประมาณ(0.3 ppm ในดวงอาทิตย์) ในปฏิกิริยานี้ ฮีเลียม-3 จับโปรตอนโดยตรงเพื่อให้ได้ฮีเลียม-4 ซึ่งมีพลังงานนิวตริโนที่สูงกว่า (สูงสุดถึง18.8 MeV )
| 3 เขา | + | 1 H | → | 4 เขา | + | อี+ | + | ν |
ความสัมพันธ์ระหว่างมวลและพลังงานให้ผลลัพธ์ดังนี้ พลังงานที่ปล่อยออกมาจากปฏิกิริยานี้รวมกับการทำลายล้างที่ตามมา ซึ่งบางส่วนสูญเสียไปกับนิวตริโน มีค่าเท่ากับ19.795 MeV
การปลดปล่อยพลังงาน
เมื่อเปรียบเทียบมวลของนิวเคลียสฮีเลียม-4 สุดท้ายกับมวลของโปรตอนทั้งสี่ จะพบว่ามวลของโปรตอนดั้งเดิมหายไป 0.7 เปอร์เซ็นต์ มวลนี้ถูกแปลงเป็นพลังงานในรูปของพลังงานจลน์ของอนุภาคที่เกิดขึ้น รังสีแกมมา และนิวตริโนที่ปล่อยออกมาในระหว่างปฏิกิริยาแต่ละครั้ง พลังงานรวมทั้งหมดของปฏิกิริยาลูกโซ่หนึ่งๆ คือ26.73 MeV
พลังงานที่ปล่อยออกมาในรูปของรังสีแกมมาจะทำปฏิกิริยากับอิเล็กตรอนและโปรตอน และทำให้ภายในดวงอาทิตย์ร้อนขึ้น นอกจากนี้ พลังงานจลน์ของผลิตภัณฑ์ฟิวชัน (เช่น โปรตอนสองตัวและ4 Heจาก ปฏิกิริยา p–p I ) ยังเพิ่มพลังงานให้กับพลาสมาในดวงอาทิตย์ ความร้อนนี้ทำให้แกนกลางของดวงอาทิตย์ยังคงร้อนอยู่และป้องกันไม่ให้มันยุบตัวลงเนื่องจากน้ำหนักของตัวเอง เหมือนกับที่จะเกิดขึ้นหากดวงอาทิตย์เย็นลง
นิวตริโนไม่ทำปฏิกิริยากับสสารอย่างมีนัยสำคัญ ดังนั้นจึงไม่ทำให้ภายในดวงอาทิตย์ร้อนขึ้น (ซึ่งจะช่วยพยุงดวงอาทิตย์ไม่ให้ยุบตัวเนื่องจากแรงโน้มถ่วง ) พลังงานของพวกมันสูญหายไป: นิวตริโนใน โซ่ p–p I , p–p IIและp–p IIIนำพลังงานไป 2.0%, 4.0% และ 28.3% ของพลังงานในปฏิกิริยาเหล่านั้นตามลำดับ[ 17 ]
ตารางต่อไปนี้คำนวณปริมาณพลังงานที่สูญเสียไปเป็นนิวตริโนและปริมาณ " ความสว่างของดวงอาทิตย์ " ที่มาจากสามสาขา "ความสว่าง" ในที่นี้หมายถึงปริมาณพลังงานที่ดวงอาทิตย์ปล่อยออกมาใน รูปของ รังสีแม่เหล็กไฟฟ้าไม่ใช่ในรูปของนิวตริโน ตัวเลขเริ่มต้นที่ใช้คือตัวเลขที่กล่าวถึงไว้ข้างต้นในบทความนี้ ตารางนี้เกี่ยวข้องเฉพาะพลังงานและนิวตริโน 99% ที่มาจาก ปฏิกิริยา p–p เท่านั้น ไม่รวม 1% ที่มาจากวัฏจักร CNO
| สาขา | เปอร์เซ็นต์ของ4ที่เขาผลิต | เปอร์เซ็นต์การสูญเสียเนื่องจากการผลิต นิวตริโน | ปริมาณพลังงานที่สูญเสียไปโดยสัมพันธ์กัน | ปริมาณความสว่างที่เกิด ขึ้นโดยสัมพันธ์กัน | เปอร์เซ็นต์ ของ ความสว่างทั้งหมด |
|---|---|---|---|---|---|
| สาขาที่ 1 | 83.3% | 2.2% | 1.67% | 81.6% | 83.6% |
| สาขาที่ 2 | 16.68% | 4% | 0.67% | 16.0% | 16.4% |
| สาขาที่ 3 | 0.02% | 28.3% | 0.0057% | 0.014% | 0.015% |
| ทั้งหมด | 100% | 2.34% | 97.7% | 100% |
ปฏิกิริยา PEP
นอกจากนี้ ดิวเทอรอนยังสามารถเกิดขึ้นได้จากปฏิกิริยา pep (โปรตอน-อิเล็กตรอน-โปรตอน) ที่หายาก ( การจับอิเล็กตรอน ):
| 1 H | + | อี− | + | 1 H | → | 2 ดี + | + | ν |
ในดวงอาทิตย์ อัตราส่วนความถี่ของปฏิกิริยา pep ต่อ ปฏิกิริยา p–pคือ 1:400 อย่างไรก็ตามนิวตริโนที่ปล่อยออกมาจากปฏิกิริยา pep มีพลังงานสูงกว่ามาก ในขณะที่นิวตริโนที่ผลิตในขั้นตอนแรกของ ปฏิกิริยา p–pมีพลังงานอยู่ในช่วงสูงถึง0.42 MeVปฏิกิริยา pep ผลิตนิวตริโนที่มีเส้นพลังงานคมชัด1.44 MeVการตรวจจับนิวตริโนจากดวงอาทิตย์จากปฏิกิริยานี้ได้รับการรายงานโดย กลุ่มความร่วมมือ Borexinoในปี 2012 [ 18 ]
ปฏิกิริยา pep และp–pสามารถมองได้ว่าเป็นการแสดง Feynman สองแบบที่แตกต่างกัน ของปฏิสัมพันธ์พื้นฐานเดียวกัน โดยที่อิเล็กตรอนจะเคลื่อนไปทางด้านขวาของปฏิกิริยาในฐานะโพซิตรอน สิ่งนี้แสดงอยู่ในรูปของปฏิกิริยาการจับโปรตอน-โปรตอนและอิเล็กตรอนในดาว ซึ่งมีอยู่ในเว็บไซต์ NDM'06 [ 19 ]
ดูเพิ่มเติม
แหล่งที่มา
HA Bethe; CL Critchfield (1938). "การก่อตัวของดิวเทอรอนโดยการรวมตัวของโปรตอน". Physical Review . 54 (4): 248– 254. Bibcode : 1938PhRv...54..248B . doi : 10.1103/PhysRev.54.248 .
ลิงก์ภายนอก
สื่อที่เกี่ยวข้องกับปฏิกิริยาลูกโซ่โปรตอน-โปรตอนในวิกิมีเดียคอมมอนส์