Cadeia próton-próton e o ciclo CNO

Choque de partículas:

 Tudo o que vemos e tocamos possuem uma origem e são constituídos sistematicamente por átomos, que são constituídos essencialmente por prótons, nêutrons e elétrons. Todos os elementos químicos, como eu descrevi, são do processo de fusão nuclear, ou seja, choque de prótons com outras partículas presente na quele ambiente de altíssima pressão e temperatura, devido a gravidade que tenta comprimir o gás e a poeira cósmica em um lugar de aglutinação de matéria (nebulosa, glóbulo molecular, próton-estrela e a estrela definitiva).

Exemplo de fusão nuclear, sendo o processo de transmutação do hidrogênio(H) em hélio(He), dois próton de cor vermelha e dois nêutron  de cor amarela. 

 O choque dessas partículas formam o núcleo da estrela jovem e percorre até a fase que a gravidade vence com sua grande compressão. A compressão imensa que a gravidade exerce sobre a estrela é essencial, com a grande pressão e temperatura geradas na compressão do gás e poeira, que resulta na velocidade de movimento em direções diferentes das partículas, elas consequentemente se chocam no núcleo. Vimos esse processo ocorre com os diversos tipos de isotopos do hidrogênio, gerando os elementos químicos inicias da tabela periódica, ou seja, de acordo com seu número atômicos: ¹H (hidrogênio), ²He (hélio), ³Li (lítio), ⁴Be (berílio), ⁵B (boro), ⁶C (carbono), ⁷N (nitrogênio), ⁸O (oxigênio), e outros elementos químicos de acordo com a complexidade do número atômico, formando camas na estrela.

A larga escala de produção de matéria no núcleo, acaba gerando camas de elementos químicos, os mais leves ficam nas camadas superiores e os com maior número atômico ficam no núcleo (nas camadas acima dele e no próprio núcleo).

 O processo de síntese dos diversos tipos de átomos que utilizam os isótopos de hidrogênio (prótio, deutério e trítio) denomina-se: Cadeia próton-próton(Ciclo de próton-próton) e o processo de nome ciclo CNO(Ciclo carbono-nitrogênio-oxigênio).

Cadeia próton-próton ou ciclo próton-próton: 

 Processo da  junção de hidrogênio(prótio, deutério e trítio) em hélio(⁴He, dois prótons + dois nêutrons) que liberar energia para manter a estrela contra a imensa compressão da gravidade. Esse fenômeno é natural e ocorre em todas as estrelas, porém este processo é extremamente comum nas estrelas do tipo do sol ou menores.

Modelo simplificado de um isótopo de prótio

 O processo conduz na união de dois núcleos de hidrogênio ¹H(prótio) a ²H(deutério), esse fenômeno libera um pósitron e um neutrino ao transformar um próton em um nêutron, a reação:

¹H + ¹H → ²H + e^- + V_e(neutrino)

 O deutério produzido na reação anterior pode se fusionar com outro núcleo de hidrogênio para formar um isótopo leve de hélio (³He).

²H + ¹H → ³He + γ + 5.49 MeV

 O neutrino liberado nesta reação, portam energias acima dos 0,42 MeV (Mega elétron volt). O pósitron resultante desse processo é anulado com o choque com um elétron e a massa se converte em energia na liberação de dois raio gama, veja a equação:

e⁺ + e^-  → 2γ + 1.02 MeV

 A cadeia próton-próton é dividida em quatro denominações:

Cadeia próton-próton I ou cadeia pp I: Esse processo pp I ocorre com grande frequência de 91% na cadeia de fusão dos prótons e nêutrons, e a implicação no balanço final de 26,7 MeV. Essa cadeia é dominante a temperaturas de 10 a 14 megakelvin(MK), com temperaturas abaixo de 10MK ocorre a pouca produção de ⁴He é baixa.

³He + ³He → ⁴He + ¹H + ¹H + 12.86 MeV

Cadeia próton-próton II ou cadeia pp II: Este processo requer maior temperatura, sendo de 14 a 23 Megakelven(MK). A produção de neutrinos nesta reações do Berílio e o Lítio ⁷Be(e^-, V_e)⁷Li, liberando uma energia de 0,861 MeV, o restante emitindo 0,383 MeV.

³He + ⁴He → ⁷Be + γ
⁷Be + e^- → ⁷Li + V_e
⁷Li + ¹H → ⁴He + ⁴He

                                                      

                  Átomo de Lítio(Li) e Berílio(Be), e seus respectivos elétrons.

Cadeia próton-próton III ou cadeia pp III: o fenômeno ocorre sobre a temperatura de 23 MK, com a força cinética dos átomos sobre a grande temperatura original os isótopos de Berílio (⁷Be, 4 prótons e 3 nêutrons) e Boro(⁸B, 5 prótons e 3 nêutrons), esse isótopos são instáveis e consequentemente entram em estado de decaimento do par de prótons.

³He + ⁴He → ⁷Be + γ

⁷Be + ¹H → ⁸B + γ

⁸B →  ⁸Be + e⁺ + V_e 

⁸Be ↔ ⁴He + ⁴He

Cadeia próton-próton IV(pp IV) ou Hep(hélio-próton): o isótopo de hélio-3(³He) reage com um prótio para formar o isótopo de hélio-4(⁴He). No processo de reação do hélio-3 para formar hélio-4 ocorre a perda de massa dos prótons, essa massa se converte em energia (raios gama) e neutrinos liberados nas reações individuais. A quantificação desta cadeia hélio-próton é de 26,73 MeV.

³He + ¹H → ⁴He + V_e + e⁺

Reação próton-elétron-próton (pep): fenômeno raro, porém ocorre junto com o ciclo próton-próton. Essa reação trata-se do choque de três partículas simultaneamente, tendo um grande grau de improbabilidade de ocorre no núcleo da estrela.

¹H + e^- + ¹H → ²H + V_e

A energia liberada pelos neutrinos nesta reação equivalem a 1,44 MeV, sendo mais energético do que a ciclos pp com 0,42 MeV.

Ciclo Carbono-Nitrogênio-Oxigênio

 O ciclo carbono-nitrogênio-oxigênio é o segundo processo da reações nucleares nas estrelas, sob temperaturas superiores a do ciclo próton-próton. O ciclo próton-próton é importante para todas as estrelas, como o Sol e outras estrelas com massa igual ou menor. A cadeia próton-próton é substituído pela cadeia CNO, ocorre em estrelas massivas, já que este processo é semelhante ao próton-próton que origina núcleos atômicos com maior conjunto de partículas sub-atômicas unidas.

Como o ciclo pp, o ciclo CNO é dividido em CNO-I, CNO-II e Ciclo OF.

CNO-I: primeiro ciclo da reação, o carbono(C) inicial da reação é retorna com um núcleo de hélio(He).

¹²C + ¹H  → ¹³N + γ  + 1,95 MeV

¹³N → ¹³C + e⁺ + V_e + 1,37 MeV

¹³C + ¹H  → ¹⁴N + γ + 7,54 MeV

¹⁴N + ¹H → ¹⁵O + γ + 7,35 MeV

¹⁵O → ¹⁵N + e⁺ + V_e + 1,86 MeV

¹⁵N + ¹H → ¹²C + ⁴He + 4,96 MeV

O Ciclo CNO-I e suas reações.

CNO-II: esse fenômeno ocorre com baixíssima frequência na estrela, onde o produto final é o ¹⁶O (isótopo de oxigênio) e um fóton, veja as equações:

¹⁵N + ¹H → ¹⁶O + γ + 12.13 MeV

¹⁶O + ¹H → ¹⁷F + γ + 0.60 MeV

¹⁷F → ¹⁷O + e⁺ + V_e + 2.76 MeV

¹⁷O + ¹H → ¹⁴N + ⁴He + 1.19 MeV

¹⁴N + ¹H → ¹⁵O + γ + 7.65 MeV

¹⁵O → ¹⁵N + e⁺ + V_e + 2,75 MeV

 As reações do nitrogênio(N) e a do oxigênio(O) ocasiona um núcleo de flúor(F) que está estável, sendo catalítico e não se acumula no núcleo da estrela.

Ciclo OF: processo que ocorre em estrelas com grande quantidade de massa. Na ação do ciclo CNO-II existe a produção do isótopo de flúor-18 (¹⁸F) e raios gama(γ) ao invés de um núcleo de nitrogênio(¹⁴N) e partículas alfa (α).

¹⁵N + ¹H → ¹⁶O + γ

¹⁶O + ¹H → ¹⁷F + γ

¹⁷F → ¹⁷O + e⁺ + V_e

¹⁷O + ¹H → ¹⁴N + ⁴He

 O resultado líquido de todos os ciclo CNO sempre são os mesmo:

4 p → ⁴He + 2 e⁺ + 2 V_e + 26.38 MeV

Nebulosa e os elementos químicos

  Demócrito de Abdera, um grego que acreditava que todo o cosmos é constituído por infinitos tipos de átomos, que jorram por acaso e se chocam. Para Demócrito e seu mestre Leucipo de Mileto, com o decorrer do tempo, os átomos se aglomeram formando os conjuntos complexos de átomos, sendo os estados da matéria, formando: os sólidos, os líquidos, os gasosos e o anímico (estado espírito).  

  Todo o Cosmos é constituído por diversos tipos de átomos e conjuntos, formando moléculas. A ideia de Demócrito e Leucipo foi assimilada pela ciência.

 Existem em todo o espaço sideral, nuvens de diversos tipos de átomos e na sua constituição química é de H₂ hidrogênio molecular, porções de gás hélio (He) e poeira interestelar. Esse conjunto se chama nebulosas, grandes nuvens moleculares, a quantidade de matéria é de 90% de H₂, outros de 9% de gás Hélio (He) e 1% de poeira cósmica, como por exemplo Carbono (C) e Silicatos (SiO₂ e SiO₄).

Átomo de Hidrogênio.

 Os átomos de hidrogênio molecular (H₂) começam a se unir, formando uma nuvem densa, o hidrogênio (H) começa a se aglomerar em um centro específico, ou seja, atrai-lo até o núcleo que exerce a atração ao elementos químicos. A massa concentrada no núcleo é comprimida, gerando calor e altas pressões no núcleo, ou seja, os átomos de hidrogênio molecular (H₂) são lançados em altas velocidades uns contra os outros, e como consequência os núcleos atômicos individuais se chocam, unindo os prótons e nêutrons que se chocaram criando um novo núcleo atômico, sendo de, dois prótons e dois nêutrons, o núcleo do hélio (He).

Nuvem de hidrogênio molecular em processo inicial e seu produto final. 

  Este é o princípio da fusão nuclear no centro da nuvem. O núcleo comprime o gás e a poeira iniciando o processo de criação de novos núcleos atômicos, ou, novos elementos químicos. No decorrer do processo de fusão existe subprodutos do evento, sendo, o raio gama, o pósitron, o neutrino, e o escape de prótons ou nêutrons. O escape de prótons e nêutrons é para estabilizar o elemento, como exemplo, o gás nobre hélio(He).

  Voltamos a questão das cargas das partículas que constituí o átomo. O próton possui uma carga elétrica positiva, e um elétron com uma carga negativa. Particularmente falando, o átomo é neutro, porém o núcleo possui muitos prótons e a repulsão das cargas positivas não ocorre, devido a função dos nêutrons. Isto ocorre no processo de fusão nuclear.

Fusão nuclear de dois prótons e um nêutron, sendo o núcleo de hélio(He).

 O hidrogênio molecular (H₂) no núcleo da nebulosa entra em choque com as outras moléculas presentes no espaço, nesse processo a colisão dos átomos acaba gerando alguns subprodutos, o pósitron que tem carga elétrica positiva, e o neutrino que é uma partícula subatômica sem carga elétrica.

 O gás envolta do núcleo está em constante movimento orbital, consequentemente existe campos magnéticos, como a matéria está em movimento giratório, ele acumula sobre as linhas de campo. Com a movimentação dos gases, sendo lançados ao espaço e as linhas de campo são envergadas formando jatos sólidos.

Disco de acreção e os jatos de raios vindo do núcleo da estrela.

  A nuvem molecular se tornando uma Proto-estrela. Neste estágio, o núcleo da nuvem se transformou e se tornou denso em relação a nuvem molecular anterior, por sinal, acaba comprimindo o gás hidrogênio(H) e a poeira cósmica. As temperaturas e pressão ultrapassam as temperaturas anteriores, na fase de nebulosa, nuvem de poeira e glóbulo. Já na próxima fase, a proto-estrela se torna uma estrela definitiva.