Protoni-protoni-ketju

Protoni-protoni-ketju eli pp-ketju on tähtien energiantuotantomekanismi. Pp-ketjussa kaksi protonia fuusioituu deuteroniksi ja edelleen kaksi deuteronia tai deuteroni ja vetyatomi heliumin ytimeksi. Ketju voi toimia kaikkiaan neljällä tavalla, joista edellä mainittu on yleisin. Mekanismi on tärkein energiantuotantomekanismi Auringon kokoluokan ja sitä pienemmillä tähdillä.
Pp-ketjun reaktiot.
Pp-ketju alkaa aina kahden vetyatomin fuusiolla. Tällöin muodostuu deuteriumatomi sekä positroni ja elektronin neutriino, kun yksi protoneista muuttuu neutroniksi.
formula_1 
Positroni kohtaa elektronin ja molemmat annihiloituvat ja vapautuu kaksi fotonia gammasäteilynä.
formula_2
Ensimmäisessä reaktiossa syntynyt deuteroni fuusioituu vetyatomin kanssa ja muodostuu helium-3-isotooppia.
formula_3
Tästä eteenpäin ketju voi edetä neljällä eri tavalla, jotka kaikki päättyvät helium-4-isotooppiin. Auringossa pp I-ketju on yleisin 86 % osuudella kaikista pp-ketjuista. Pp II-ketjuja on 14 %, pp III-ketjuja vain 0,11 %. Pp IV-ketju on äärimmäisen harvinainen.
Pp I-ketju.
Kaksi helium-3-atomia fuusioituu ja syntyy helium-4-atomi ja kaksi vetyatomia.
formula_4
Pp I-ketju kokonaisuudessaan vapauttaa noin 26,7 MeV energiaa. Se on yleisin ketjuista 10-14 miljoonan kelvinin lämpötiloissa.
Pp II-ketju.
Helium-3 ja helium-4 fuusioituvat ja syntyy beryllium-7-atomi ja gammafotoni.
formula_5
Beryllium-7 kaappaa elektronin ja syntyy litium-7-atomi ja elektronin neutriino.
formula_6
Litium-7 fuusioituu vetyatomin kanssa ja syntyy kaksi helium-4-atomia.
formula_7
Pp II-ketju on yleinen 14-23 miljoonan kelvinin lämpötiloissa. Berylliumatomin kaapatessa elektronin syntyneistä neutriinoista 90 % on 0,861 MeV ja 10 % 0,383 MeV, riippuen siitä, onko litium-7 jännittyneessä tilassa.
Pp III-ketju.
Helium-3 ja helium-4 fuusioituvat ja syntyy beryllium-7-atomi ja gammafotoni.
formula_5
Beryllium-7 fuusioituu vetyatomin kanssa ja syntyy boori-8-atomi ja gammafotoni.
formula_9
Boori-8 hajoaa beryllium-8:ksi, positroniksi, elektronin neutriinoksi ja gammafotoniksi.
formula_10
Beryllium-8 hajoaa kahdeksi helium-4-atomiksi.
formula_11
Pp III-ketju on yleinen yli 23 miljoonan kelvinin lämpötiloissa.
Pp IV-ketju.
Helium-3 fuusioituu suoraan vetyatomin kanssa ja muodostaa helium-4-atomin, positronin ja elektronin neutriinon.
formula_12
Pp IV-ketju on teoriassa olemassa, mutta sitä ei ole havaittu sen harvinaisuuden vuoksi.
Vapautunut energia.
Verrattaessa tuloksena saatua helium-4-atomia ja reaktioon käytettyjen neljän protonin massoja selviää, että 0,7 % massasta on muuttunut energiaksi, fotoneiksi ja neutriinoiksi. Yhden ketjun aikaansaama energia on siten 26,73 MeV. Vain fotonit (gammasäteily) reagoivat tähden materian kanssa, neutriinot vuorovaikuttavat hyvin heikosti materian kanssa. Ketjut eroavat energian jakautumisessa gammasäteilyn ja neutriinoiden välillä:
Protoni-elektroni-protoni-ketju.
Protoni-elektroni-protoni-ketju on muunnos pp-ketjusta, joka on melko harvinainen Auringossa (noin yhden kerran 400 tapauksessa). Siinä deuteriumia muodostuu elektronisieppauksella.
formula_13
Pep-ketjun vapauttamat neutriinot ovat paljon energisempiä kuin pp I-ketjun. Pp I-ketju tuottaa 0,42 MeV neutriinoita, kun pep-ketjun neutriinot ovat 1,44 MeV.