Введение
Альфа-процесс, также известный как захват альфа-частиц или альфа-лестница, является одним из двух классов реакций ядерного синтеза, посредством которых звезды преобразуют гелий в более тяжёлые элементы. Другой класс – это цикл реакций, называемый тройным альфа-процессом, который потребляет только гелий и производит углерод. Альфа-процесс наиболее часто происходит в массивных звёздах и во время вспышек сверхновых. Оба процесса предшествуют синтезу водорода, который производит гелий, являющийся топливом как для тройного альфа-процесса, так и для процессов альфа-лестницы. После того как тройным альфа-процессом произведено достаточное количество углерода, начинается альфа-лестница, и происходят реакции синтеза всё более тяжёлых элементов в порядке, указанном ниже. Каждый этап потребляет только продукт предыдущей реакции и гелий. Реакции на поздних стадиях, которые могут начаться в конкретной звезде, происходят одновременно с реакциями предыдущих стадий, продолжающимися во внешних слоях звезды. Энергия, выделяемая каждой реакцией (E), в основном находится в форме гамма-лучей (γ), при этом небольшая часть уносится элементом-побочным продуктом в виде дополнительного импульса. Распространённое заблуждение состоит в том, что вышеуказанная последовательность заканчивается на (или , являющегося продуктом распада), поскольку это наиболее прочно связанный нуклид, то есть нуклид с наибольшей энергией ядерного связывания на нуклон, и производство более тяжёлых ядер потребовало бы затрат энергии (было бы эндотермическим), а не её выделения (экзотермическим). (Никель-62) на самом деле является наиболее прочно связанным нуклидом с точки зрения энергии связывания (хотя у имеет более низкую энергию или массу на нуклон). Реакция действительно экзотермическая, и добавление альфа-частиц остаётся экзотермическим вплоть до , но, тем не менее, последовательность фактически заканчивается железом. Последовательность прекращается до образования , поскольку условия внутри звёзд приводят к тому, что конкуренция между фотодизинтеграцией и альфа-процессом благоприятствует фотодизинтеграции вблизи железа. Это приводит к образованию большего количества , чем .
The alpha process, also known as alpha capture or the alpha ladder, is one of two classes of nuclear fusion reactions by which stars convert helium into heavier elements. The other class is a cycle of reactions called the triple alpha process, which consumes only helium, and produces carbon. The alpha process most commonly occurs in massive stars and during supernovae. Both processes are preceded by hydrogen fusion, which produces the helium that fuels both the triple alpha process and the alpha ladder processes. After the triple alpha process has produced enough carbon, the alpha ladder begins and fusion reactions of increasingly heavy elements take place, in the order listed below. Each step only consumes the product of the previous reaction and helium. The later stage reactions which are able to begin in any particular star, do so while the prior stage reactions are still under way in outer layers of the star. The energy produced by each reaction, E, is mainly in the form of gamma rays (γ), with a small amount taken by the byproduct element, as added momentum. It is a common misconception that the above sequence ends at (or , which is a decay product of ) because it is the most tightly bound nuclide – i. e., the nuclide with the highest nuclear binding energy per nucleon – and production of heavier nuclei would consume energy (be endothermic) instead of release it (exothermic). (Nickel 62) is actually the most tightly bound nuclide in terms of binding energy (though has a lower energy or mass per nucleon). The reaction is actually exothermic, and indeed adding alphas continues to be exothermic all the way to , but nonetheless the sequence does effectively end at iron. The sequence stops before producing because conditions in stellar interiors cause the competition between photodisintegration and the alpha process to favor photodisintegration around iron. This leads to more being produced than
All these reactions have a very low rate at the temperatures and densities in stars and therefore do not contribute significant energy to a star's total output. They occur even less easily with elements heavier than neon due to the increasing Coulomb barrier.
Все эти реакции протекают с очень низкой скоростью при температурах и плотностях, существующих в звёздах, и, следовательно, не вносят значительного вклада в общую светимость звезды. Они происходят ещё реже с элементами тяжелее неона из-за увеличения кулоновского барьера.
The alpha process, also known as alpha capture or the alpha ladder, is one of two classes of nuclear fusion reactions by which stars convert helium into heavier elements. The other class is a cycle of reactions called the triple alpha process, which consumes only helium, and produces carbon. The alpha process most commonly occurs in massive stars and during supernovae. Both processes are preceded by hydrogen fusion, which produces the helium that fuels both the triple alpha process and the alpha ladder processes. After the triple alpha process has produced enough carbon, the alpha ladder begins and fusion reactions of increasingly heavy elements take place, in the order listed below. Each step only consumes the product of the previous reaction and helium. The later stage reactions which are able to begin in any particular star, do so while the prior stage reactions are still under way in outer layers of the star. The energy produced by each reaction, E, is mainly in the form of gamma rays (γ), with a small amount taken by the byproduct element, as added momentum. It is a common misconception that the above sequence ends at (or , which is a decay product of ) because it is the most tightly bound nuclide – i. e., the nuclide with the highest nuclear binding energy per nucleon – and production of heavier nuclei would consume energy (be endothermic) instead of release it (exothermic). (Nickel 62) is actually the most tightly bound nuclide in terms of binding energy (though has a lower energy or mass per nucleon). The reaction is actually exothermic, and indeed adding alphas continues to be exothermic all the way to , but nonetheless the sequence does effectively end at iron. The sequence stops before producing because conditions in stellar interiors cause the competition between photodisintegration and the alpha process to favor photodisintegration around iron. This leads to more being produced than
All these reactions have a very low rate at the temperatures and densities in stars and therefore do not contribute significant energy to a star's total output. They occur even less easily with elements heavier than neon due to the increasing Coulomb barrier.
Элементы процесса Альфа
Альфа-процессные элементы (или альфа-элементы) получили такое название, поскольку их наиболее распространенные изотопы являются целочисленными кратами массы ядра гелия (альфа-частицы), равной четырем. Эти изотопы называются альфа-нуклидами. Стабильные альфа-элементы: C, O, Ne, Mg, Si и S.
The elements Ar and Ca are "observationally stable". They are synthesized by alpha capture prior to the silicon fusing stage, that leads to Type II supernovae. Si and Ca are purely alpha process elements. Mg can be separately consumed by proton capture reactions. The status of oxygen (O) is contested – some authors consider it an alpha element, while others do not. O is surely an alpha element in low metallicity Population II stars: It is produced in Type II supernovae, and its enhancement is well correlated with an enhancement of other alpha process elements. Sometimes C and N are considered alpha process elements since, like O, they are synthesized in nuclear alpha capture reactions, but their status is ambiguous: Each of the three elements is produced (and consumed) by the CNO cycle, which can proceed at temperatures far lower than those where the alpha ladder processes start producing significant amounts of alpha elements (including C, N, & O). So just the presence of C, N, or O in a star does not a clearly indicate that the alpha process is actually underway – hence reluctance of some astronomers to (unconditionally) call these three "alpha elements".
Элементы Ar и Ca являются "наблюдательно стабильными". Они синтезируются в результате захвата альфа-частиц до стадии слияния кремния, что приводит к сверхновым типа II. Si и Ca являются исключительно альфа-процессными элементами. Mg может дополнительно расходоваться в реакциях захвата протонов. Статус кислорода (O) является предметом споров: некоторые авторы относят его к альфа-элементам, а другие – нет. O, безусловно, является альфа-элементом в звездах популяции II с низкой металличностью: он образуется в сверхновых типа II, и его обогащение хорошо коррелирует с обогащением других альфа-процессных элементов. Иногда C и N также рассматриваются как альфа-процессные элементы, поскольку, как и O, они синтезируются в реакциях ядерного захвата альфа-частиц, однако их статус неоднозначен: каждый из этих трех элементов образуется (и расходуется) в CNO-цикле, который может протекать при температурах, значительно более низких, чем те, при которых процессы альфа-лестницы начинают производить существенные количества альфа-элементов (включая C, N и O). Таким образом, само по себе присутствие C, N или O в звезде не является однозначным свидетельством протекания альфа-процесса, поэтому некоторые астрономы с осторожностью называют эти три элемента "альфа-элементами".
The elements Ar and Ca are "observationally stable". They are synthesized by alpha capture prior to the silicon fusing stage, that leads to Type II supernovae. Si and Ca are purely alpha process elements. Mg can be separately consumed by proton capture reactions. The status of oxygen (O) is contested – some authors consider it an alpha element, while others do not. O is surely an alpha element in low metallicity Population II stars: It is produced in Type II supernovae, and its enhancement is well correlated with an enhancement of other alpha process elements. Sometimes C and N are considered alpha process elements since, like O, they are synthesized in nuclear alpha capture reactions, but their status is ambiguous: Each of the three elements is produced (and consumed) by the CNO cycle, which can proceed at temperatures far lower than those where the alpha ladder processes start producing significant amounts of alpha elements (including C, N, & O). So just the presence of C, N, or O in a star does not a clearly indicate that the alpha process is actually underway – hence reluctance of some astronomers to (unconditionally) call these three "alpha elements".
Производство в звездах
Альфа-процесс обычно протекает в значительных количествах только в достаточно массивных звёздах – звёздах с массой более примерно 10 солнечных масс. Сверхновые типа II в основном синтезируют кислород и альфа-элементы (Ne, Mg, Si, S, Ar, Ca и Ti), а сверхновые типа Ia – преимущественно элементы в области железного пика (Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co и Ni). Достаточно массивные звёзды способны синтезировать элементы вплоть до и включая железный пик исключительно из водорода и гелия, составляющих звезду изначально. Этот процесс продолжается и после завершения фазы горения гелия в ядре, поскольку оболочка вокруг ядра продолжает сжигать гелий и перемешиваться с ядром. Вторая стадия (горение неона) начинается, когда гелий высвобождается в результате фотораспада одного атома, что позволяет другому продолжать восхождение по альфа-лестнице. Затем, позднее, горение кремния инициируется аналогичным образом посредством фотодезинтеграции; после этого достигается ранее обсуждаемый пик. Ударная волна сверхновой, возникающая при коллапсе звезды, создаёт идеальные условия для кратковременного протекания этих процессов. В ходе этого заключительного нагрева, включающего фотораспад и перегруппировку, ядерные частицы преобразуются в свои наиболее стабильные формы во время сверхновой и последующего выброса, в том числе посредством альфа-процессов. Начиная с и выше, все продукты распада являются радиоактивными и, следовательно, распадаются до более стабильных изотопов; например, образуется и распадается в .