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.

$_{1}H+_{1}H\rightarrow _{1}^{2}D+e^{+}+v_{e}+0,42MeV$

Positroni kohtaa elektronin ja molemmat annihiloituvat ja vapautuu kaksi fotonia gammasäteilynä.

$e^{+}+e^{-}\rightarrow 2\gamma +1,02MeV$

Ensimmäisessä reaktiossa syntynyt deuteroni fuusioituu vetyatomin kanssa ja muodostuu helium-3-isotooppia.

$_{1}^{2}D+_{1}H\rightarrow _{2}^{3}He+\gamma +5.49MeV$

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.

$_{2}^{3}He+_{2}^{3}He\rightarrow _{2}^{4}He+2_{1}H+12,86MeV$

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.

$_{2}^{3}He+_{2}^{4}He\rightarrow _{4}^{7}Be+\gamma$

Beryllium-7 kaappaa elektronin ja syntyy litium-7-atomi ja elektronin neutriino.

$_{4}^{7}Be+e^{-}\rightarrow _{3}^{7}Li+v_{e}+0,861MeV/0,383MeV$

Litium-7 fuusioituu vetyatomin kanssa ja syntyy kaksi helium-4-atomia.

$_{3}^{7}Li+_{1}H\rightarrow 2_{2}^{4}He$

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.

$_{2}^{3}He+_{2}^{4}He\rightarrow _{4}^{7}Be+\gamma$

Beryllium-7 fuusioituu vetyatomin kanssa ja syntyy boori-8-atomi ja gammafotoni.

$_{4}^{7}Be+_{1}H\rightarrow _{5}^{8}B+\gamma$

Boori-8 hajoaa beryllium-8:ksi, positroniksi, elektronin neutriinoksi ja gammafotoniksi.

$_{5}^{8}B\rightarrow _{4}^{8}Be+e^{+}+v_{e}+\gamma$

Beryllium-8 hajoaa kahdeksi helium-4-atomiksi.

$_{4}^{8}Be\rightarrow 2_{2}^{4}He$

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.

$_{2}^{3}He+_{1}H\rightarrow _{2}^{4}He+e^{+}+v_{e}+18,8MeV$

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:

Pp I-ketjussa 2 % energiasta vapautuu neutriinoina
Pp II-ketjussa 4 %
Pp III-ketjussa 28,3 %

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.

$_{1}H+e^{-}+_{1}H\rightarrow _{1}^{2}D+v_{e}$

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.

Aiheesta muualla

Astro.fi Energiantuotanto
How the Sun shines? (engl.)