Protonų ciklas

Protonų ciklas tai viena iš dviejų branduolinių reakcijų grandinių, kurių metu vandenilis žvaigždėse virsta heliu. Kita reakcijų grandinė yra CNO ciklas, efektyvi masyvesnėse nei dviejų Saulės masių žvaigždėse. Protonų ciklo reakcijų grandinė efektyviai vyksta poros Saulės (ir mažesnės) masių žvaigždėse.

Norint įveikti protonų elektrostatinės stūmos (kulonines) jėgas reikia didelio energijos kiekio, todėl ši reakcija Saulės branduolio temperatūrai esant trunka apie 109 metų. Jei ši reakcija būtų greitesnė, Saulė jau seniai būtų sudeginusi savo vandenilio atsargas.

Protonų ciklo reakcijų žvaigždžių gelmėse teoriją 1920 metais sukūrė Arthur Stanley Eddington. Tuo metu buvo manoma, kad Saulės gelmių temperatūra yra per maža, kad būtų įveiktos elektrostatinės stūmos jėgos. Atsiradus kvantinei mechanikai buvo atrasta, kad kvantinio tunelinio efekto reiškinys leidžia vykti protonų reakcijoms žemesnėje temperatūroje, nei kad leidžia klasikinė fizika.

pp ciklo reakcijos 

Pirmosios reakcijos metu du vandenilio 1H (protonais) susijungia į deuterio ²H, branduolį, išspinduliuodami pozitroną ir neutriną kuomet vienas iš protonų virsta neutronu.

 1H + 1H → ²H + e+ + νe 
Neutrinas šioje reakcijoje nusineša apie 0,42 MeV.

Ši pirmoji reakcija yra labai lėta, kadangi priklauso nuo silpnosios sąveikos, kurios metu protonas virsta neutronu. Iš esmės tai ir yra ilgiausias žingsnis, kuris sąlygoja 109 metų trukmės vandenilio virtimo heliu laiką.

Pozitronas iškart anihiliuoja su elektronu, o jų energiją nusineša du gama spindulių fotonai.

 e+ + e− → 2γ + 1.02 MeV

Po to deuteris, gautas pirmojoje reakcijoje, apsijungia su kitu protonu ir gaunamas lengvasis helio izotopas, ³He:

 ²H + 1H → ³He + γ + 5.49 MeV

Nuo dabar yra trys galimi keliai gauti 4He izotopą. pp I reakcijos metu 4He susidaro apsijungiant dviem ³He branduoliams; pp II ir pp III reakcijų metu ³He jungiasi su 4He ir gaunamas 7Be.
Saulėje pp I šakos dažnis 86 %, pp II – 14 %, pp III – 0.11 %. Taip pat yra ir labai reta pp IV šaka.

pp I šaka 
 ³He +³He → 4He + 1H + 1H + 12.86 MeV
Viso pp I šakos reakcijos išskiria 26,7 MeV energijos.
pp I šaka dominuoja 10–14 MK (mega Kelvinų) temperatūrose.
Žemiau 10 MK PP šaka nepagamina daug 4He.

pp II šaka 

pp II šaka svarbi 14–23 MK temperatūrose.

90 % neutrinų sukurtų reakcijose 7Be(e−,νe)7Li* neša 0,861 MeV energijos, o likusieji 10 % neša 0,383 MeV energijos (priklausomai nuo to, 7Li yra žemiausioje ar sužadintoje būsenoje atitinkamai).

pp III šaka 

pp III šaka dominuoja, kai temperatūra viršija 23 MK.

pp III reakcijų šaka nėra svarbiausias Saulės energijos šaltinis (tik apie 0.11 %), bet ji labai svarbi Saulės neutrinų problemoje, kadangi jos metu atsiranda labai aukštos energijos neutrinai (iki 14,06 MeV).

pp IV arba Hep 
Ši reakcija yra tik teoriškai numatyta, bet kol kas nestebima dėl jos mažos tikimybės (Saulėje 0,3 ppm). Jos metu ³He susijungia su protonu ir tiesiai gaunamas 4He su dar didesne neutrino energija (iki 18,8 MeV).
 ³He + 1H → 4He + νe + e+

Energijos išsiskyrimas 
Lyginant 4He su keturių protonų masėmis matome, kad 0,007 arba 0.7 % pradinės protonų masės prarandama. Ji virsta gama spindulių ir neutrinų energija. Visa protonų ciklo grandinės išskiriama energija yra 26,73 MeV.

Tik energija, išskiriama gama kvantų pavidalu sąveikaus su protonais ir elektronais ir šildys Saulės gelmes. Šis šildymas palaiko Saulės hidrostatinę pusiausvyrą ir neleidžia jai kolapsuoti dėl gravitacinių jėgų.

Neutrinai beveik nesąveikauja su medžiaga, dėl to Saulės šildymo procese beveik nedalyvauja. Neutrinai iš pp I, pp II ir pp III reakcijų grandinių nusineša 2.0 %, 4.0 % ir 28.3 % energijos atitinkamai.

pep reakcija 
Deuteris taip pat gali būti sukuriamas retos pep (protono - elektrono - protono) reakcijos metu (elektrono pagavimas):
 1H + e− + 1H → ²H + νe 
Saulėje pep ir pp reakcijų dažnis yra 1:400. Tačiau pep reakcijos metu sukurti neutrinai yra daug energingesni: pep reakcijų neutrinai duoda linijinį 1.44 MeV spektrą, tuo tarpu, kai pirmosios pp reakcijos neutrinai (sukuriant deuterį) yra iki 0.42 MeV.

Literatūra 

Branduolių sintezė
Žvaigždžių fizika