Ciclo del carbonio-azoto-ossigeno

Il ciclo del carbonio-azoto-ossigeno (o ciclo CNO, o ciclo di Bethe) è una delle due più comuni serie di reazioni nucleari che avvengono all'interno delle stelle, insieme alla catena protone-protone. I modelli teorici prevedono che il ciclo CNO sia la principale sorgente di energia per le stelle più massicce, con masse circa il 20% maggiori di quella del Sole, mentre la catena protone-protone è dominante per le stelle più piccole.^[1]

Questo ciclo fu scoperto nel 1938 da Hans Bethe^[2]^[3] e indipendentemente da Carl Friedrich von Weizsäcker.^[4]^[5]

Descrizione e localizzazione

Questo ciclo partendo da quattro protoni produce una particella alfa (cioè un nucleo di elio) pesante, due positroni, due neutrini e un ulteriore rilascio di energia di tipo puramente luminoso sotto forma di raggi gamma. I positroni prodotti, si annichileranno quasi istantaneamente con gli elettroni, rilasciando energia sotto forma di ulteriori raggi gamma.

I nuclei di carbonio, azoto e ossigeno, dai quali il ciclo trae il nome, svolgono il ruolo di catalizzatori nella fusione nucleare indiretta dell'idrogeno. Questo ciclo è più complesso della semplice catena protone-protone, che coinvolge la reazione deuterio-deuterio, e infatti si innesca ad una temperatura più alta.

Ha quindi luogo normalmente nelle zone interne delle stelle di dimensioni abbastanza grandi, orientativamente con massa superiore a circa 1,2 masse solari: già alcune stelle della sequenza principale riescono a svolgere questo ciclo in modo apprezzabile.

Le reazioni del ciclo carbonio-azoto sono:

^{12}\mathrm {C+^{1}H\to ^{13}N} +\gamma +1,95\,\mathrm {MeV}

^{13}\mathrm {N\to ^{13}C} +e^{+}+\nu _{e}+1,37\,\mathrm {MeV}

^{13}\mathrm {C+^{1}H\to ^{14}N} +\gamma +7,54\,\mathrm {MeV}

^{14}\mathrm {N+^{1}H\to ^{15}O} +\gamma +7,35\,\mathrm {MeV}

^{15}\mathrm {O\to ^{15}N} +e^{+}+\nu _{e}+1,86\,\mathrm {MeV}

^{15}\mathrm {N+^{1}H\to ^{12}C+^{4}He} +4,96\,\mathrm {MeV}

Nelle stelle di grandezza paragonabile o inferiore a quella del Sole, invece, i meccanismi di combustione prevalenti sono rappresentati dalla catena protone-protone. Quasi tutte le stelle attivano il ciclo poi durante la fase finale di gigante rossa, nel guscio esterno. L'uomo non è ancora riuscito a riprodurre in modo apprezzabile questo ciclo sulla Terra, date le temperature richieste che sono ancora più alte di quelle già ardue della reazione deuterio-deuterio.

Precisazioni

L'efficacia del ciclo non è totale, nel senso che in un ramo secondario della reazione, con la probabilità dello 0,04%, la reazione finale non produce carbonio-12 e elio-4, ma ossigeno-16 e un fotone:

^{15}\mathrm {N+^{1}H\to ^{16}O} +\gamma

^{16}\mathrm {O+^{1}H\to ^{17}F} +\gamma

^{17}\mathrm {F\to ^{17}O} +e^{+}+\nu _{e}

^{17}\mathrm {O+^{1}H\to ^{14}N+^{4}He}

In modo simile al carbonio, azoto e ossigeno del ramo principale, il fluoro prodotto nel ramo secondario ha una funzione esclusivamente catalitica e, a regime, non si accumula nella stella. I nuclei di ossigeno che si formano così si accumulano e poi si pensa che alimentino un ulteriore ciclo, le cui perdite sono trascurabili dal punto di vista della produzione di energia.

Note

^ Maurizio Salaris e Santi Cassisi, Evolution of Stars and Stellar Populations, John Wiley and Sons, 2005, pp. 119–121, ISBN 0-470-09220-3.
^ Hans Bethe, Energy Production in Stars, in Physical Review, vol. 55, n. 1, 1939, p. 103, DOI:10.1103/PhysRev.55.103.
^ Hans Bethe, Energy Production in Stars, in Physical Review, vol. 55, n. 5, 1939, p. 434–456, DOI:10.1103/PhysRev.55.434.
^ Carl Friedrich von Weizsäcker, Über Elementumwandlungen in Innern der Sterne I, in Physikalische Zeitschrift, vol. 38, 1937, pp. 176–191.
^ Carl Friedrich von Weizsäcker, Über Elementumwandlungen in Innern der Sterne II, in Physikalische Zeitschrift, vol. 39, 1938, pp. 633–646.

Voci correlate

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Collegamenti esterni

Vittorio Castellani, Il biciclo CN-NO, in Fondamenti di Astrofisica Stellare. URL consultato il 20 maggio 2021 (archiviato dall'url originale il 14 aprile 2013).

Portale Fisica

Portale Stelle

[salaris_cassini2005-1] Maurizio Salaris e Santi Cassisi, Evolution of Stars and Stellar Populations, John Wiley and Sons, 2005, pp. 119–121, ISBN 0-470-09220-3.

[Bethe1939-1-2] Hans Bethe, Energy Production in Stars, in Physical Review, vol. 55, n. 1, 1939, p. 103, DOI:10.1103/PhysRev.55.103.

[Bethe1939-2-3] Hans Bethe, Energy Production in Stars, in Physical Review, vol. 55, n. 5, 1939, p. 434–456, DOI:10.1103/PhysRev.55.434.

[vonWeizsäcker-1-4] Carl Friedrich von Weizsäcker, Über Elementumwandlungen in Innern der Sterne I, in Physikalische Zeitschrift, vol. 38, 1937, pp. 176–191.

[vonWeizsäcker-2-5] Carl Friedrich von Weizsäcker, Über Elementumwandlungen in Innern der Sterne II, in Physikalische Zeitschrift, vol. 39, 1938, pp. 633–646.

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