Tres procesos alfa

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Sección transversal de los procesos de nucleosíntesis a diferentes temperaturas: el proceso de tres alfa requiere la temperatura más alta de los tres procesos principales.

El proceso de tres alfa es el proceso mediante el cual tres núcleos de helio ( partículas α ) se transforman finalmente en carbono después de una serie compleja de reacciones nucleares que pasa por la síntesis de berilio -8, que es una reacción endotérmica, es decir, absorbe energía del plasma. [1] [2] Forma parte de las reacciones nucleares de la nucleosíntesis estelar , y se cree que el paso del ciclo CNO al proceso de tres alfa está relacionado con la fase de pulsación por la que pasan algunas estrellas llamadas cefeidas .

Reacciones

Diagrama de tres procesos alfa

Esta reacción de fusión nuclear solo puede ocurrir en ambientes ricos en helio, sometidos a altas presiones y temperaturas superiores a 100.000.000 grados. Por lo tanto, solo ocurre dentro de estrellas en una etapa avanzada de evolución, donde el helio producido por la cadena protón-protón y el ciclo carbono-nitrógeno se ha acumulado en el centro de la estrella. Dado que el helio inicialmente no produce energía, la estrella colapsa hasta que la temperatura en el centro alcanza los ~ 100 × 10 6 K requeridos para que comience la fusión del helio, lo que resulta en la formación de 8 Be , de acuerdo con la siguiente reacción:

4 He + 4 He ↔ 8 Be (-93,7 keV)
8 Be + 4 He ↔ 12 C + γ (+ 7.367 MeV ) [3]

La primera reacción es endotérmica, mientras que la segunda es exotérmica. Por lo tanto, la energía neta total liberada por el proceso es 7.275 MeV .

El 8 Be producido en el primer paso es inestable y se desintegra en dos núcleos de helio en 2,6 × 10 −16 segundos. Pero en las condiciones que permiten la fusión del helio, se forma una pequeña abundancia de 8 Be en equilibrio. La captura de otra partícula alfa conduce a 12 C. Esta conversión de tres partículas alfa en 12 C se denomina proceso de tres alfa .

La cinética de reacción de este proceso es muy lenta debido a la inestabilidad del 8 Be y, por tanto, es necesario un largo período de tiempo para dar lugar a la producción de carbono a partir de una atmósfera inicial de hidrógeno. Una consecuencia es que el carbono no pudo formarse en el momento del Big Bang , porque la temperatura del universo descendió demasiado rápido por debajo de la necesaria para que el helio se derrita.

Por lo general, las posibilidades de esta reacción serían extremadamente pequeñas. Pero el berilio -8 tiene casi la misma energía que dos partículas alfa. En el segundo paso, 8 Be + 4 He tiene casi el mismo nivel de energía que el estado excitado de 12 C. Estas resonancias aumentan en gran medida la probabilidad de que una partícula alfa incidente se combine con berilio-8 para formar un núcleo de carbono.

Como reacción secundaria del proceso, un núcleo de carbono puede fusionarse con otro núcleo de helio para producir un isótopo de oxígeno estable y liberar energía:

12 C + 4 He → 16 O + γ (+7,162 MeV)

Aspectos históricos y conceptuales

Que la existencia estable del carbono depende de los niveles de energía de los núcleos atómicos ubicados exactamente en el punto y con el valor necesario --en comparación con muchos otros físicamente posibles y al menos tan probables-- fue una hipótesis avanzada, con predicción precisa de los factores antes mencionados. , primero y sólo por el 'astrofísico Fred Hoyle (a principios de la década de 1950 ), inspirado por los procesos atómicos dentro de las estrellas en estudios relacionados principalmente con la clase de gigantes rojas . Esta hipótesis predictiva de Hoyle fue, unos tres años después, verificada y confirmada experimentalmente en los laboratorios de Caltech por el físico nuclear con el que había colaborado: William A. Fowler . Aplicó esta idea en su investigación, una hazaña que le valió el Nobel . [4] En ese momento, y al menos hasta principios de la década de 1960, la colaboración entre físicos experimentales y astrónomos era más habitual y sinérgica que ahora, ya que con la observación de cuerpos celestes y estelares, sus espectros electromagnéticos y fases de desarrollo, todavía estábamos intentando comprender muchos mecanismos sobre la producción de elementos atómicos, su difusión (o abundancia ) y consecuencias naturales tanto con respecto al medio terrestre e interplanetario como al conjunto cósmico. [5] El descubrimiento de esta resonancia es juzgado por los simpatizantes del principio antrópico, uno entre los diversos y relevantes argumentos en apoyo de su concepción, ya que está enteramente predicho y pensado para explicar la aparición de la vida y por tanto de la especie humana. [6] Pero incluso si el padre teórico del descubrimiento del proceso de Hoyle nunca se adhirió al principio antrópico (cuyas formulaciones significativas son en todo caso posteriores a esta intuición). Reflexionó sobre la elección de la hipótesis con la distinción de su propósito biológico (colocando así la biosfera como un dato real a partir del cual comenzar a planificar de manera útil la línea de investigación) enmarcándola luego (considerando las regularidades y la calibración general de las leyes físicas globales como las constantes de acoplamiento ) [7] en lo que fue su peculiar visión de la génesis bioquímica planetaria: es decir, una especie de ingeniería cósmica basada en una panspermìa parcialmente variante de la idea de Svante August Arrhenius .

En contraste con la mayoría académica, Hoyle apoyó la hipótesis de un "diseño inteligente" (como generalmente se define este tipo de enfoque), implementado por inteligencias extraterrestres progresivamente evolucionadas, distribuidas y operando dentro del universo considerado estacionario , es decir, sin un comienzo temporal. y espacialmente ilimitado. Precisamente este infinito cósmico habría permitido la presencia de entidades superiores, hijas y promotoras de un desarrollo científico y tecnológico tan elevado como lo es sin término y sin comienzo determinable. En este contexto, la posible imagen de una divinidad creadora y primera causa no se contempla, ni en ningún caso se mantiene en un segundo plano y desprovista de connotaciones religiosas, diferenciando este modelo del creacionismo más simplista. [8] Cabe señalar que esta perspectiva paradigmática original de Hoyle maduró con el tiempo y no es simultánea con su teorización del proceso triple alfa .

Incluso el conocido físico y académico Paul Davies (aunque se aparta de la tesis de Hoyle) evalúa este proceso nuclear de manera tan peculiar que requiere interpretaciones epistemológicas además de la física empírica y descriptiva únicamente. Reitera que el proceso, coincidiendo con la producción de carbono y especificando cuán eficiente es para permitir formas orgánicas y cerebrales bastante complejas, puede legítimamente ser considerado una pista para retener la función vital, y (como su consecuente etapa evolutiva) inteligencia, integral parte de las leyes físicas connaturales al universo. La génesis y el desarrollo de la vida serían, por tanto, aunque no preordenados por mentes superiores, fenómenos emergentes necesarios y no aleatorios, lógicamente inherentes a los mecanismos que regulan la constitución del cosmos. Así, la conciencia también jugaría un papel significativo y activo para el orden natural global: en este sentido, el Autor se vincula, citando expresamente, a la famosa hipótesis que Eugene Wigner elaboró ​​con motivaciones cuánticas. Esto le lleva a concluir que, en presencia de suficientes exoplanetas con condiciones adecuadas, las formas exobiológicas y posibles civilizaciones extraterrestres no deberían representar un fenómeno demasiado raro. [9]

Nucleosíntesis estelar

El siguiente paso en la fusión, donde el oxígeno se combina con una partícula alfa para formar neón , es mucho más difícil debido a las reglas del espín nuclear. Esto crea una situación en la que la nucleosíntesis estelar produce grandes cantidades de carbono y oxígeno, pero solo una pequeña fracción de estos elementos se convierte en neón y elementos más pesados.

El proceso de fusión nuclear permite la producción de elementos hasta el níquel , que posteriormente se descompone en hierro. Los elementos más pesados ​​que el níquel son, en cambio, el resultado de la captura de neutrones. El lento proceso de captura ( Proceso S ) conduce a la producción de aproximadamente la mitad de los elementos pesados. El resto son el resultado del proceso de captura rápida ( Proceso R ), vinculado al colapso de las supernovas .

Nota

  1. ^ Editores Appenzeller, Harwit, Kippenhahn, Strittmatter y Trimble, Astrophysics Library , Springer, Nueva York, tercera edición, ISBN.
  2. ^ Ostlie, DA & Carroll, BW, Introducción a la astrofísica estelar moderna , Addison Wesley, San Francisco, 2007, ISBN 0-8053-0348-0 .
  3. ^ CW Cook, W. Fowler, C. Lauritsen, T. Lauritsen, 12B, 12C y los gigantes rojos , en Physical Review , vol. 107, n. 2, 1957, págs. 508-515, Bibcode : 1957PhRv..107..508C , DOI : 10.1103 / PhysRev.107.508 .
  4. ^ John Boslough "Los señores del tiempo", segunda parte: capítulo 11-párrafo " Boda cósmica " ed. Garzanti 1995.Stephen Hawking y Leonard Mlodinow "El gran diseño" -cp.VII. (2010)
  5. ^ Incluso como aceleradores y colisionadores de partículas, no tenían el poder de hoy.
  6. ^ Paul Davies "¿Estamos solos? Implicaciones filosóficas del descubrimiento de vida extraterrestre ", capítulo 5, ed. Laterza 1994.
  7. ^ Por ejemplo, la magnitud de la interacción nuclear fuerte , con el valor preciso (E) correlacionado con la desintegración de masa en radiación pura en el mecanismo de fusión fundamental que produce H >> He , de ahí las consiguientes combinaciones nucleosintéticas necesarias para la composición definitiva de nuestro ecosistema. .
  8. ^ Fred Hoyle-NC Wickramasinghe "Evolución desde el espacio" (1981), trad.it por L.Sosio "Evolución desde el espacio", Etas Scientific Library-1984: por su crítica del "principio antrópico" y resumen de las concepciones de Hoyle (su relaciones entre biología y astronomía) ver el capítulo 9 y la Conclusión , para más información los apéndices técnicos al final del texto.
  9. ^ Argumento tratado por P. Davies en op.cit, aquí en particular ver el capítulo 5 de la pag. 122 a 134.