La catena protone-protone è un processo nucleare che trasforma idrogeno (protoni) in nuclei di elio. È la sorgente di energia principale per la maggior parte delle stelle dell'universo, compreso il Sole. Nel Sole questa catena è il processo predominante. Un'altro processo che porta alla formazione di elio partendo da idrogeno è il ciclo CNO.

Catena delle reazioni

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Nel primo passaggio due nuclei di idrogeno ¹H (protoni) per formare deuterio ²H, rilasciando un positrone poiché un protone è diventato un neutrone, e un neutrino.

¹H + ¹H → ²H + e⁺ + ν_e

con il neutrino che porta un'energia da 0 a 0.42 MeV.

Questo primo passaggio è estremamente lento, perché è un interazione debole che converte un protone in un neutrone. Questo è il collo di bottiglia di tutta la catena, il protone deve aspettare circa 10⁹ anni prima di fondersi in deuterio.

Il positrone si annichila immediatamente con un elettrone, e le loro energie di massa sono trasformate in due raggi gamma.

e⁺ + e⁻ → 2γ + 1.02 MeV

Dopo la produzione di deuterio nel primo passaggio esso si può fondere con un altro idrogeno per produrre un isotopo leggero dell'elio. ³He:

²H + ¹H → ³He + γ + 5.49 MeV

Da qui tre differenti rami portano alla formazione dell'isotopo dell'elio ⁴He. In pp1 l'elio-4 viene dalla fusione di due nuclei di elio-3; gli altri rami, pp2 e pp3 richiedono elio-4 prodotto nel pp1, entrambe presentano differenti percorsi che il Berilio-7 può seguire. Nel Sole, il ramo pp1 ha una frequenza del 91%, pp2 9% e pp3 0.1%.

Ramo pp I

³He +³He → ⁴He + ¹H + ¹H + 12.86 MeV

Il completamento della catena pp I rilascia un'energia netta di 26.7 MeV. Il ramo pp I è dominante a temperatura tra 10 e 14 MK. Sotto i 10 MK, la catena pp non produce più ⁴He.

Ramo pp II

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

Il ramo pp II è dominante a temperature tra 14 e 23 MK.

Il 90% dei neutrini prodotti nella reazione ⁷Be(e⁻,ν_e)⁷Li* portano un'energia di 0.861 MeV, mentre il rimanente 10% un'energia di 0.383 MeV (dipende dal fatto che il litio-7 sia in uno stato eccitato o meno).

Ramo pp III

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

Il ramo pp III è dominante a temperature maggiori di 23 MK.

Il ramo pp III non è la maggiore sorgente di energia per il Sole (poiché la temperatura del nucleo non è abbastanza alta) ma è molto importante per il problema dei neutrini solari poiché genera i neutrini a più alta energia (≤14.06 MeV).

Ramo pp IV o Hep

In questo caso l'elio-3 reagisce direttamente con un protone per dare elio-4

³He + ¹H → ⁴He + ν_e + e⁺

Energia rilasciata

Confrontando la massa dell'elio-4 finale con le masse dei quattro protoni si ottiene che lo 0.7% della massa originaria è persa. Questa massa è convertita in energia, sotto forma di raggi gamma e di neutrini rilasciati durante le reazioni individuali. L'energia totale che si ottiene da un ramo intero è di 26.73 MeV.

Solo l'energia rilasciata sotto forma di raggi gamma può interagire con gli elettroni e i protoni e scaldare l'interno del Sole. Questo riscaldamento fa sì che il Sole non collassi sotto il suo peso.

Reazione pep

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Il deuterio può anche essere prodotto tramite una reazione rara di cattura elettronica:

¹H + e⁻ + ¹H → ²H + ν_e

Nel Sole, la frequenza della reazione pep è 1/400 della pp. Tuttavia i neutrini rilasciati sono molto più energetici: mentre i neutrini prodotti nel primo passaggio della pp vanno da 0 a a 0.42 MeV, i neutrini della pep producono una linea stretta a 1.44 MeV.

Collegamenti esterni

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• Fondamenti di Astrofisica Stellare, del Prof. Vittorio Castellani PDF dei capitoli scaricabile liberamente

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