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2013 年 8 月 6 日

太陽系的前世今生 (218):碳氮氧循環 (CNO cycle)

影像提供 : 維基百科
文字提供 : 陳輝樺 (NMNS )  

說明 : 在 1939 年,美國天文學家漢斯•貝特Hans Albrecht Bethe,1906.7.2.-2005.3.6. )分析了氫融合成氦的可能過程, 他選擇了兩種認為可能發生在恆星內產生能源的機制。第一種是前天所介紹的 質子 - 質子鏈反應 (Proton-Proton Chain) ,是 質量 (Mass) 像 太陽 (sun) 或比太陽輕的恆星產生能源的主要過程;今天繼續介紹第二種恆星產生能源是 碳氮氧循環  (CNO cyclecarbonnitrogenoxygen cycle),是質量比太陽大恆星的主要能源;這些反應產生的能量能持續維持恆星內部的高熱。碳氮氧循環 (也稱為貝斯-魏茨澤克-循環) 是比太陽重的恆星主要產能方式 ,是恆星將氫 (1H,質子 (Proton,p) ) 轉換成氦 (4He,helium-4) 的主要過程之一。其中 CNO-I 循環 (12C  → 13N → 13C → 14N → 15O → 15N → 12C) 如下:

            12C + 1H → 13N + γ + 1.95 MeV

                                 13N → 13C + e+ + νe + 2.22 MeV

                                             13C + 1H → 14N + γ + 7.54 MeV

                                                                  14N + 1H → 15O + γ + 7.35 MeV

                                                                                       15O → 15N + e+ + νe + 2.75 MeV

                                                                                                                         15N + 1H → 12C + 4He + 4.96 MeV

        這個循環的淨效應是 4 個質子 (p) 成為一個 α 粒子 (4He 的核心)、2 個正子 ( 正電子, Positrone+)  和 2 個電子微中子  (neutrino, νe)。 碳 ( 12C、13C)、氮 (13N、14N、15N)、和氧 (15O) 核在循環中擔任催化劑的角色,不會在恆星內累積。 這個循環在平衡狀態下,12C / 13C 核的比例是 3.5,而 14N 成為數量最多的核。 在 恆星的演化中 ,對流會將碳氮氧循環的產物從恆星的內部帶到表面並混合。

        有一個較小分支的反應,在 太陽核心 附近發生只佔了 0.04% 的量,最後的產物是 4He、2 個正子、2 個電子微中子γ 射線 光子 (Photon),CNO-II 循環 (15N  → 16O → 17F → 17O → 14N → 15O  → 15N) 如下:

            15N + 1H → 16O + γ + 12.13 MeV

                                      16O + 1H → 17F + γ + 0.60 MeV

                                                      17F → 17O + e+ + νe + 2.76 MeV

                                                                  17O + 1H → 14N + 4He + 1.19 MeV

                                                                                                             14N + 1H → 15O + γ + 7.35 MeV

                                                                                                                                       15O  → 15N + e+ + νe + 2.75 MeV

在此小分支上的 (17F) 、氮 (14N、15N)、氧 (15O、16O、17O) 核在循環中也僅僅是穩定狀態的催化劑,不會在恆星內累積。而其中氧循環CNO-III 循環 (17O  → 18F → 18O → 15N → 16O → 17F  → 17O) 如下:

             17O + 1H → 18F + γ + 5.61 MeV

                                       18F → 18O + e+ + νe + 1.656 MeV

                                                         18O + 1H → 15N + 4He + 3.98 MeV

                                                                                    15N + 1H → 16O + γ + 12.13 MeV

                                                                                                              16O + 1H → 17F + γ + 0.60 MeV

                                                                                                                                        17F → 17O + e+ + νe + 2.76 MeV

類似 CNO-III 氧循環另有一分支氟 (F) 循環 (CNO-IV 循環 ,19F  → 16 O → 17F → 17O → 18F → 18O  → 19F) 如下:

              19F + 1H → 16O + 4He + 8.114 MeV

                                    16O  + 1H → 17F + γ + 0.60 MeV

                                                                   17F → 17O + e+ + νe  + 2.76 MeV

                                                                                  17O + 1H → 18F + γ + 5.61 MeV

                                                                                                              18F  → 18O + e+ + νe  + 1.656 MeV

                                                                                                                              18O + 1H → 19F + γ + 7.994 MeV 

 

 

明日主題 : 太陽系的前世今生 (219):熱碳氮氧循環
天文史上的今天 : 1979 年 8 月 6 日,德國生物化學家費奧多爾•呂嫩 (Feodor Felix Konrad Lynen,1911.4.6.– 1979.8.6.) 逝世。與德裔美籍生物化學家康拉德•布洛赫 (Konrad Emil Bloch,1912.1.21.-2000.10.15.)因發現膽固醇 (cholesterol,C27H46O) 和脂肪酸新陳代謝 (fatty acid metabolism)的機轉關聯,而共同榮獲 1964 年諾貝爾生理學或醫學獎。
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