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Schematische Übersicht des Triple-Alpha-Prozesses

Es Triple-Alpha-Prozess ist eine serie Kernfusionsreaktionen wo drei Helium-4 Kerne (ebenfalls Alphateilchen genannt) werden in a . umgewandelt Kohlenstoff-12-Kern.^[1][2] Das Verfahren wurde in den 1950er Jahren von Fred Hoyle und später von Hoyle beschrieben, William Fowler, Ward Walfang, und Edwin Salpeter.

Beschreibung des Prozesses

Ältere Sterne enthalten in ihrem Kern große Mengen Helium als Nebenprodukt der Proton-Proton-Zyklus und der CNO-Zyklus. Reaktionen dieser Heliumkerne mit Wasserstoff bzw. anderen Heliumkernen führen zu Lithium-5 und Beryllium-8, die jedoch sowohl instabil sind als auch schnell zerfallen.^[3] Wenn jedoch der Wasserstoff im Kern vollständig aufgebraucht ist, zieht sich der Kern zusammen, wodurch die Temperatur auf etwa 100 × 10 . ansteigt⁶k (8,6 keV). Die Produktion von Beryllium-8 beschleunigt sich dann so stark, dass der Zerfall dieses Nuklid zu Helium-4 wird kompensiert, sodass Beryllium-8-Kerne immer zur Verfügung stehen, um mit einem Helium-4-Kern zu einem stabilen Kohlenstoff-12-Kern zu verschmelzen:

${displaystyle mathrm {^{4}_{2}He _{2}^{4}He 93,7 keV longrightarrow _{4}^{8}Be} }$

${displaystyle mathrm {^{8}_{4}Sei _{2}^{4}Er longrightarrow _{6}^{12}C 2gamma 7,367 MeV} }$

Die Nettoenergie dieser Fusionsserie beträgt 7,275 MeV. Der erste Kommentar ist endothermisch (benötigt Energie), die zweite ist exotherm (produziert Energie). Der Triple-Alpha-Prozess ist angesichts des schnellen Zerfalls von Beryllium-8 ein außergewöhnlicher Prozess. Dies ist der Grund, warum während der Urknall. Bereits nach wenigen Minuten war die Temperatur des entstehenden Universums unter das Niveau gefallen, das für den Triple-Alpha-Prozess erforderlich ist.

Als zusätzliche Reaktion kann eine Menge von Kohlenstoff-12-Kernen weiter mit Helium-4-Kernen verschmelzen, um stabile zu bilden Sauerstoff-16 Kerne:

${displaystyle mathrm {^{12}_{6}C _{2}^{4}Er langer rechter Pfeil _{8}^{16}O 7,162 MeV} }$

Auch diese Reaktion ist exotherm.

Bedeutung in der Sternentwicklung

Die Effizienz des Triple-Alpha-Prozesses (wie alle Fusionsreaktionen in Sternen) hängt von der Temperatur und Dichte des Sternmaterials, aber in diesem Fall ist die Temperaturabhängigkeit extrem: Die Energieproduktion ist proportional zum 40 Leistung der Temperatur und mit dem Quadrat der Dichte.^[4] Im Vergleich: die Energieproduktion des Vans Proton-Proton-Zyklus, die Hauptfusionsreihe, die Wasserstoff in Helium umwandelt, ist nur proportional zur vierten Potenz der Temperatur und zur ersten Potenz der Dichte.

Die starke Temperaturabhängigkeit hat Konsequenzen für das spätere Stadium im Sternenentwicklung, insbesondere die der roter Riese.

Bei Sternen mit mittlerer Masse ist der Druck des entstehenden Heliums im Kern nahezu unabhängig von der Temperatur. Infolgedessen dehnt sich der Kern weder aus noch kühlt er ab, wenn ein solcher Stern den Triple-Alpha-Prozess startet. Die Temperatur kann nur ansteigen, wodurch die Geschwindigkeit der Kernreaktionen exponentiell ansteigt. Dieser intensive Prozess wird als Heliumblitz: 60 bis 80 % des gesamten Heliums im Kern werden in den letzten Sekunden dieser Stufe umgewandelt.

Sterne höherer Masse haben einen Kohlenstoffkern, um den sich eine Heliumschicht befindet. Die Verschmelzung von Helium führt zu einem Anstieg des thermischen Drucks, wodurch sich der Stern ausdehnt. Durch die Expansion kühlt die Heliumschicht jedoch wieder ab, wodurch der Stern wieder schrumpft. Dieser zyklische Prozess macht den Stern jedoch sehr instabil, was dazu führt, dass Materie von den äußeren Schichten des Sterns weggeblasen wird.