A proton–proton ciklus az egyike annak a két fúziós reakciónak, amelyekkel a csillagok hidrogénből héliumot termelnek (a másik a CNO-ciklus). A proton–proton ciklus a naptömegű vagy annál kisebb csillagok esetén a fontosabb energiaforrás.

A két hidrogénmag közötti elektromos taszítás legyőzéséhez rengeteg energia szükséges, emiatt a folyamat nagyon lassú. Emiatt a lassúság miatt süt még mindig a Nap; ha a folyamat gyorsabb lenne, már rég kimerültek volna a hidrogénkészletei.

Általában a proton–proton ciklus csak akkor jöhet létre, ha a hőmérséklet elég nagy, azaz az protonok mozgási energiája elegendő a kölcsönös Coulomb-taszítás legyőzéséhez. Azt, hogy proton–proton reakciók szolgálhatnak a Nap és más csillagok energiatermelésére, Arthur Eddington vetette fel az 1920-as években. Abban az időben a Nap hőmérsékletét túl alacsonynak tartották ahhoz, hogy a protonok legyőzzék a Coulomb-gátat. A kvantummechanika kifejlesztése során felfedezték az alagútjelenséget, melynek következtében a protonok a klasszikus mechanika által megjósolt hőmérséklethatár alatt is képes a proton hullámfüggvénye behatolni a másik proton környezetébe.

A proton-proton reakció során a speciális relativitáselmélet E=m·c^{2 ekvivalenciaképlete szerint anyag alakul át energiává. A kiinduló 4 proton össztömege valamivel kisebb, mint a keletkező alfa-részecskéé, ez alakul át energiává.}

A ciklus egyes lépései különböző hosszú ideig tartanak. Leghosszabb ideig átlagosan a harmadik proton befogása (ppI) tart: 320 millió évig, a leggyorsabb pedig a ^{15O mag bomlása: 82 másodpercet vesz igénybe. Mivel azonban állandóan nagyszámú ciklus folyik párhuzamosan, ezért sok energia szabadul fel a csillagokban és ez a folyamat egyes esetekben akár évmilliókig is eltarthat.}

A pp-reakció

---

Az első lépésben két hidrogén-atommag (¹H, azaz két proton) alakul deutériummá (²H), kibocsájtva egy pozitront és egy neutrínót, amint egy proton neutronná alakul.

¹H + ¹H → ²H + e⁺ + ν_e

a neutrínók energiáját is beleértve 0,42 MeV energia szabadul fel.

A legelső lépés hihetetlenül lassú, mivel ennek során a gyenge kölcsönhatás alakítja át a protont neutronná. Valójában ez a korlátozó lépés: egy proton átlagosan 10⁹ évet vár arra, hogy deutériummá egyesüljön egy társával.

A pozitron azonnal megsemmisül egy elektronnal, és a tömegüknek megfelelő energiát két gamma foton viszi el. (Azért kell kettő, hogy az energiamegmaradás és a lendületmegmaradás törvénye is teljesüljön.)

e⁺ + e⁻ → 2γ + 1,02 MeV

Ezután, a következő lépésben, a deutérium egyesül egy másik hidrogénmaggal, aminek eredményeként ^3He mag (a He egy instabil izotópja) keletkezik:

²H + ¹H → ³He + γ + 5,49 MeV

Ezután három különböző fő ágon ^{4He-mag (alfa-részecske) keletkezik. A ppI ágon két 3He-mag egyesül egy 4He-maggá, miközben két proton szabadul fel (biztosítva a proton-proton ciklusban játszott „katalizátor” szerepét); a másik két ágon, a ppI és ppII folyamatokban csak 4He magok keletkeznek végtermékként. A ppII ciklus esetében még megfigyelhető egy elágazás, amiben fontos szerepük van a 7Be magoknak.}

A Nap energiatermelésében az említett folyamatok közül a ppI játszódik le a legnagyobb (85 %-os)valószínűséggel, a ppII, ppIII és ppIV ciklusok csak kisebb 15%, 0,1% ill. 10-5% valószínűséggel.

Proton proton cycle.png

A ppI ág

³He +³He → ⁴He + ¹H + ¹H + 12,86 MeV

A teljes pp ciklus során 26,7 MeV energia szabadul fel. A pp I ág 10-14 millió K hőmérsékleten dominál. 10 millió K alatti hőmérséklet már nem elegendő a 4He magok keletkezéséhez.

A ppII ág

	3He + 4He	→	7Be + γ
	7Be + e−	→	7Li + νe
	7Li + 1H	→	4He + 4He

A pp II ág 14-23 millió K között válik dominánssá. A Nap által termelt neutrínók 90%-a a ⁷Be(e⁻,ν_e)⁷Li* reakcióban keletkezik. A ⁷Be neutrínók diszkrét energiaértékekkel rendelkeznek: E1 = 0,861 MeV (90 %); E2 = 0,383 MeV (10 %).

A ppIII ág

	3He + 4He	→	7Be + γ
	7Be + 1H	→	8B + γ
	8B	→	8Be + e+ + νe
	8Be	↔	4He + 4He

A pp III ág 23 millió K fölött dominál. A Napban ennek az alciklusnak a valószínűsége rendkívül kicsi (0,1%), ezért a 8B mag bomlása során keletkezett neutrínóknak ( E < 15 MeV) nagyon alacsony a fluxusa, kimutatásuk emiatt nehéz.

A napneutrínó-probléma a 8B neutrínók számában tapasztalt hiány miatt merült fel.

A ppIV ág - Hep (hélium-elektron-proton) reakció

A 3He magok protonnal egyesülve közvetlenül 4He maggá alakulhatnak. A Nap esetében ez a folyamat – a többi allánchoz képest – kis valószínűséggel (105) megy végbe.

³He + ¹H → ⁴He + ν_e + e⁺

Energiakibocsájtás

A proton-proton reakció során a speciális relativitáselmélet E=m·c2 ekvivalenciaképlete szerint anyag alakul át energiává. Négy hidrogénmag héliummaggá való átalakulásának egyenlege a következő: egy hidrogénmag (proton) tömege 1,008 atomi tömegegység (u); egy héliummagé pedig 4,004 u. Mivel 4·1,008 u=4,032 u, ezért 0,028 tömegegységnyi anyag 25 MeV=4 J energiává alakul. Pontosabb értékekkel számolva, és figyelembe véve az elektronnal találkozva megsemmisülő pozitronok energiáját is, a felszabaduló energia 26,73 MeV. Ez a hő hozza létre a Nap melegét, amely azt hősugárzás formájában folyamatosan kisugározza, és ez hozza létre azt a nyomást, amely a gravitációval szemben egyensúlyban tartja a Napot.

Mindegyik folyamat során összesen Q=26,73 MeV energia szabadul fel. A foton formájában felszabaduló rész elnyelődve a Napban marad, de a neutrínók alig hatnak kölcsön a Nap belsejében, ezért az energiájuk eltávozik. A veszteség 2% a ppI-, 4% a ppII- és 28,3% a ppIII-ág esetén.Claus E. Rolfs, William S. Rodney: Cauldrons in the Cosmos, The University of Chicago Press, 1988, 354. oldal

The pep reaction

---

The so-called pep (proton-electron-proton) reaction is a pretty rare one, that can take place instead of the pp reaction:

¹H + e⁻ + ¹H → ²H + ν_e

In the Sun, the frequency of pep reaction versus pp reaction is 1:400. However the neutrinos released are far more energetic: while neutrinos produced in the first step of the pp reaction range in energy up to 0.42 MeV, the neutrinos from the pep reaction produce sharp-energy-line neutrinos of 1.44 MeV.

Hivatkozások

---

Lásd még

---

• három alfa-ciklus
• CNO-ciklus

Magfizika | Asztrofizika

Proton-proton chain reaction | Proton-Proton-Reaktion | Cadena protón-protón | Chaîne proton-proton | Catena protone-protone | 陽子-陽子連鎖反応 | 양성자-양성자 연쇄 반응 | Proton-protoncyclus | Cykl protonowy