Διαδικασία άλφα

Δημιουργία στοιχείων πέρα από τον άνθρακα μέσω της διαδικασίας άλφα

Η διαδικασία άλφα, επίσης γνωστή ως σκάλα άλφα, είναι μία από τις δύο κατηγορίες αντιδράσεων πυρηνικής σύντηξης με τις οποίες τα αστέρια μετατρέπουν το ήλιο σε βαρύτερα στοιχεία. Η άλλη διαδικασία είναι η λεγόμενη τρία άλφα . Η διαδικασία τρία άλφα καταναλώνει μόνο ήλιο και παράγει άνθρακα. Αφού συσσωρευτεί αρκετός άνθρακας, λαμβάνουν χώρα οι παρακάτω αντιδράσεις, καταναλώνοντας μόνο ήλιο και το προϊόν της προηγούμενης αντίδρασης.

${\begin{array}{ll}{\ce {_6^{12}C + _2^4He -> _{8}^{16}O + \gamma}}&E=7.16\ \mathrm {MeV} \\{\ce {_8^{16}O + _2^4He -> _{10}^{20}Ne + \gamma}}&E=4.73\ \mathrm {MeV} \\{\ce {_{10}^{20}Ne + _2^4He -> _{12}^{24}Mg + \gamma}}&E=9.32\ \mathrm {MeV} \\{\ce {_{12}^{24}Mg + _2^4He -> _{14}^{28}Si + \gamma}}&E=9.98\ \mathrm {MeV} \\{\ce {_{14}^{28}Si + _2^4He -> _{16}^{32}S + \gamma}}&E=6.95\ \mathrm {MeV} \\{\ce {_{16}^{32}S + _2^4He -> _{18}^{36}Ar + \gamma}}&E=6.64\ \mathrm {MeV} \\{\ce {_{18}^{36}Ar + _2^4He -> _{20}^{40}Ca + \gamma}}&E=7.04\ \mathrm {MeV} \\{\ce {_{20}^{40}Ca + _2^4He -> _{22}^{44}Ti + \gamma}}&E=5.13\ \mathrm {MeV} \\{\ce {_{22}^{44}Ti + _2^4He -> _{24}^{48}Cr + \gamma}}&E=7.70\ \mathrm {MeV} \\{\ce {_{24}^{48}Cr + _2^4He -> _{26}^{52}Fe + \gamma}}&E=7.94\ \mathrm {MeV} \\{\ce {_{26}^{52}Fe + _2^4He -> _{28}^{56}Ni + \gamma}}&E=8.00\ \mathrm {MeV} \end{array}}$

όπου Ε είναι η ενέργεια που παράγεται από την αντίδραση και απελευθερώνεται κυρίως ως ακτίνες γάμμα ( γ ).

Είναι μια συνήθης παρανόηση ότι η παραπάνω ακολουθία καταλήγει σε $\mathrm {_{28}^{56}Ni}$ (ή $\mathrm {_{26}^{56}Fe}$, το οποίο είναι προϊόν αποσύνθεσης του $\mathrm {_{28}^{56}Ni}$ ) επειδή είναι το πιο σταθερό νουκλίδιο - δηλαδή, έχει την υψηλότερη πυρηνική ενέργεια δέσμευσης ανά νουκλεόνιο και η παραγωγή βαρύτερων πυρήνων απαιτεί ενέργεια (είναι ενδόθερμη ) αντί να την απελευθερώνει ( εξώθερμη ). Στην πραγματικότητα όμως το $\mathrm {_{28}^{62}Ni}$ ( Νικέλιο-62 ) είναι το πιο σταθερό νουκλίδιο. Ωστόσο, η ακολουθία τελειώνει στις $\mathrm {_{28}^{56}Ni}$ επειδή οι συνθήκες στο εσωτερικό ενός άστρου προκαλούν τον ανταγωνισμό μεταξύ της φωτοδιάσπασης και της διαδικασίας άλφα και τελικά ευνοεί τη φωτοδιάσπαση γύρω από το σίδηρο, οδηγώντας στην παραγωγή περισσότερου $\mathrm {_{28}^{56}Ni}$ από ότι $\mathrm {_{28}^{62}Ni}$ .

Όλες οι παραπάνω αντιδράσεις έχουν πολύ χαμηλό ρυθμό στις θερμοκρασίες και πυκνότητες που υπάρχουν στα άστρα και επομένως δεν συμβάλλουν σημαντικά στην παραγωγή ενέργειας στο εσωτερικό ενός αστεριού. Αυτές που αφορούν στοιχεία βαρύτερα από το νέον ( ατομικός αριθμός > 10), συμβαίνουν ακόμη πιο δύσκολα λόγω της αυξανόμενης άπωσης Coulomb ανάμεσα στα σωμάτια άλφα και τους θετικά φορτισμένους πυρήνες.

Τα στοιχεία που δημιουργούνται με τη διαδικασίας άλφα είναι γνωστά ως στοιχεία άλφα, διότι τα πιο άφθονα ευσταθή ισότοπά τους είναι ακέραια πολλαπλάσια του τέσσερα που είναι η μάζα ενός πυρήνα ηλίου (σωματίδιο άλφα ). Αυτά τα ισότοπα είναι γνωστά ως νουκλεΐδια άλφα . Ευσταθή στοιχεία άλφα είναι: C, O, Ne, Mg, Si και S ; Τα Ar και Ca είναι παρατηρησιακά ευσταθή . Συντίθενται με σύλληψη άλφα πριν από τη διαδικασία σύντηξης πυριτίου που αποτελεί πρόδρομο της δημιουργίας ενός υπερκαινοφανή τύπου ΙΙ. Το πυρίτιο και το ασβέστιο είναι αποτέλεσμα αποκλειστικά της διαδιακασίας άλφα. Το μαγνήσιο μπορεί να καεί με αντιδράσεις δέσμευσης πρωτονίων. Όσο για το οξυγόνο, ορισμένοι συγγραφείς το θεωρούν ως στοιχείο άλφα, ενώ άλλοι όχι. Το οξυγόνο είναι σίγουρα ένα στοιχείο άλφα στα αστέρια πληθυσμού II χαμηλής μεταλλικότητας. Παράγεται σε υπερκαινοφανείς τύπου II και η αύξηση της παρουσίας του συσχετίζεται καλά με τη αντίστοιχη αύξηση άλλων στοιχείων της διαδικασίας άλφα. Μερικές φορές ο άνθρακας και το άζωτο θεωρούνται στοιχεία διεργασίας άλφα, καθώς συντίθενται σε πυρηνικές αντιδράσεις δέσμευσης άλφα.

Η αφθονία των στοιχείων άλφα στα αστέρια εκφράζεται συνήθως με λογαριθμικό τρόπο:

$[\alpha /{\ce {Fe}}]=\log _{10}{\left({\frac {N_{\alpha }}{N_{{\ce {Fe}}}}}\right)_{Star}}-\log _{10}{\left({\frac {N_{\alpha }}{N_{{\ce {Fe}}}}}\right)_{Sun}}$ ,

Εδώ $N_{\alpha }$ και $N_{{\ce {Fe}}}$ είναι ο αριθμός των στοιχείων άλφα και πυρήνων σιδήρου ανά μονάδα όγκου. Τα μοντέλα θεωρητικής γαλαξιακής εξέλιξης προβλέπουν ότι στο νεαρό σύμπαν υπήρχαν περισσότερα στοιχεία άλφα σε σχέση με το σίδηρο. Οι υπερκαινοφανείς τύπου II συνθέτουν κυρίως οξυγόνο και τα άλφα στοιχεία (Ne, Mg, Si, S, Ar, Ca και Ti), ενώ οι υπερκαινοφανείς τύπου Ia παράγουν κυρίως στοιχεία της κορυφής του σιδήρου ( Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co και Ni ) αλλά και άλφα στοιχεία.