Pp-ketju

Wikipedia
Loikkaa: valikkoon, hakuun
Kuva pp-ketjun toiminnasta. Siniset ovat protoneita, vihreät neutroneita, keltaiset elektroneja (ja positroneja), punaiset fotoneita ja oranssit neutriinoja.

Pp-ketju eli protoni-protoni-ketju on tähtien energiantuotantomekanismi. Pp-ketjussa kaksi protonia fuusioituu deuteroniksi ja edelleen kaksi deuteronia tai deuteroni ja vetyatomi heliumin ytimeksi. Ketju voi toimia kaikkiaan neljällä tavalla, joista edellä mainittu on yleisin. Mekanismi on tärkein energiantuotantomekanismi Auringon kokoluokan ja sitä pienemmillä tähdillä.

Pp-ketjun reaktiot[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Pp-ketju alkaa aina kahden vetyatomin fuusiolla. Tällöin muodostuu deuteriumatomi sekä positroni ja elektronin neutriino, kun yksi protoneista muuttuu neutroniksi.

_1 H + _1 H \rightarrow _1^2 D + e^+ + v_e + 0,42 MeV

Positroni kohtaa elektronin ja molemmat annihiloituvat ja vapautuu kaksi fotonia gammasäteilynä.

e^+ + e^- \rightarrow 2 \gamma + 1,02 MeV

Ensimmäisessä reaktiossa syntynyt deuteroni fuusioituu vetyatomin kanssa ja muodostuu helium-3-isotooppia.

_1^2 D + _1 H \rightarrow _2^3 He + \gamma + 5.49 MeV

Tästä eteenpäin ketju voi edetä neljällä eri tavalla, jotka kaikki päättyvät helium-4-isotooppiin. Auringossa pp I-ketju on yleisin 86 % osuudella kaikista pp-ketjuista. Pp II-ketjuja on 14 %, pp III-ketjuja vain 0,11 %. Pp IV-ketju on äärimmäisen harvinainen.

Pp I-ketju[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Kaksi helium-3-atomia fuusioituu ja syntyy helium-4-atomi ja kaksi vetyatomia.

_2^3 He + _2^3 He \rightarrow _2^4 He + 2 _1 H + 12,86 MeV

Pp I-ketju kokonaisuudessaan vapauttaa noin 26,7 MeV energiaa. Se on yleisin ketjuista 10-14 miljoonan kelvinin lämpötiloissa.

Pp II-ketju[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Helium-3 ja helium-4 fuusioituvat ja syntyy beryllium-7-atomi ja gammafotoni.

_2^3 He + _2^4 He \rightarrow _4^7 Be + \gamma

Beryllium-7 kaappaa elektronin ja syntyy litium-7-atomi ja elektronin neutriino.

_4^7 Be + e^- \rightarrow _3^7 Li + v_e + 0,861 MeV / 0,383 MeV

Litium-7 fuusioituu vetyatomin kanssa ja syntyy kaksi helium-4-atomia.

_3^7 Li + _1 H \rightarrow 2 _2^4 He

Pp II-ketju on yleinen 14-23 miljoonan kelvinin lämpötiloissa. Berylliumatomin kaapatessa elektronin syntyneistä neutriinoista 90 % on 0,861 MeV ja 10 % 0,383 MeV, riippuen siitä, onko litium-7 jännittyneessä tilassa.

Pp III-ketju[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Helium-3 ja helium-4 fuusioituvat ja syntyy beryllium-7-atomi ja gammafotoni.

_2^3 He + _2^4 He \rightarrow _4^7 Be + \gamma

Beryllium-7 fuusioituu vetyatomin kanssa ja syntyy boori-8-atomi ja gammafotoni.

_4^7 Be + _1 H \rightarrow _5^8 B + \gamma

Boori-8 hajoaa beryllium-8:ksi, positroniksi, elektronin neutriinoksi ja gammafotoniksi.

_5^8 B \rightarrow _4^8 Be + e^+ + v_e + \gamma

Beryllium-8 hajoaa kahdeksi helium-4-atomiksi.

_4^8 Be \rightarrow 2 _2^4 He

Pp III-ketju on yleinen yli 23 miljoonan kelvinin lämpötiloissa.

Pp IV-ketju[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Helium-3 fuusioituu suoraan vetyatomin kanssa ja muodostaa helium-4-atomin, positronin ja elektronin neutriinon.

_2^3 He + _1 H \rightarrow _2^4 He + e^+ + v_e + 18,8 MeV

Pp IV-ketju on teoriassa olemassa, mutta sitä ei ole havaittu sen harvinaisuuden vuoksi.

Vapautunut energia[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Verrattaessa tuloksena saatua helium-4-atomia ja reaktioon käytettyjen neljän protonin massoja selviää, että 0,7 % massasta on muuttunut energiaksi, fotoneiksi ja neutriinoiksi. Yhden ketjun aikaansaama energia on siten 26,73 MeV. Vain fotonit (gammasäteily) reagoivat tähden materian kanssa, neutriinot vuorovaikuttavat hyvin heikosti materian kanssa. Ketjut eroavat energian jakautumisessa gammasäteilyn ja neutriinoiden välillä:

  • Pp I-ketjussa 2 % energiasta vapautuu neutriinoina
  • Pp II-ketjussa 4 %
  • Pp III-ketjussa 28,3 %

Pep-ketju[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Protoni-elektroni-protoni-ketju on muunnos pp-ketjusta, joka on melko harvinainen Auringossa (noin yhden kerran 400 tapauksessa). Siinä deuteriumia muodostuu elektronisieppauksella.

_1 H + e^- + _1 H \rightarrow _1^2 D + v_e

Pep-ketjun vapauttamat neutriinot ovat paljon energisempiä kuin pp I-ketjun. Pp I-ketju tuottaa 0,42 MeV neutriinoita, kun pep-ketjun neutriinot ovat 1,44 MeV.

Aiheesta muualla[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]