Горение гелия

По мере истощения запасов водорода в ядре звезды, относительно спокойная эволюция на главной последовательности сменяется быстрыми стадиями сжатия, в результате которых создаются условия для участия ядер гелия в термоядерных реакциях. Характерная нижняя температура для начала таких реакций составляет около 1.2ґ10⁸ K.

3a-процесс

Основной реакцией для горения гелия, является последовательное слияние трех альфа-частиц с образованием ядра ¹²C. В действительности реализуется некоторая последовательность реакций (вероятность "одновременного" столкновения трех частиц видимо слишком мала), начинающаяся с эндотермической (то есть идущей с поглощением тепла) реакции

Эта реакция уже встречалась с наших ядерных циклах - она завершала цепочку ppIII, только в обратную сторону - то есть нестабильное ядро ⁸Be за 10^-16 сек распадается на альфа частицы. Поэтому сечение интересующей нас сейчас реакции образования ⁸Be должно быть достаточно большим, чтобы равновесное содержание берилия стало заметно отличаться от нуля, и вероятность столкновения его с новой альфа-частицей до распада оказалась заметной. Этому помогает то обстоятельство, что в интересующем нас сейчас направлении реакция может рассматриваться как резонансная, поскольку сумма энергий альфа-частиц "чуть" меньше энергии нужного ядра берилия. В этой ситуации кинетическая энергия частиц как раз компенсирует "дефицит" энергии состояния (92Kev), и существует температура, при которой скорость рассматриваемой реакции становится вполне заметной. Именно из этих соображений вычисляют минимально необходимую температуру горения гелия.

После этого наступает второй этап превращения - с получившимися ядрами берилия-8 реагирует еще одна альфа-частица, и образует^{ся 12}С

В записи реакции и на рисунке отражен то факт, что захват альфа-частицы ядром берилия просходит с образованием возбужденного (неустойчивого) ядра углерода-12 (с нулевым спином и энергией 7.654 Мэв), которое может с определенной вероятностью распасться снова на альфа-частицу и берилий, но может также перейти в основное состояние с испусканием гамма-квантов. Реакция образования возбужденного ядра углерода-12 является резонансной - смотри стрелочку 7.37 слева от прямоугольника, обозначающего состояния углерода, и энергию соответствующего возбужденного ядра. Однако переход возбужденного ядра углерода в основное состояние не может происходить с излучением одного гамма кванта (переход из 0 в 0 состояние является запрещенным), а использует промежуточное состояние 2⁺. Соответственно, выделяется два гамма кванта, а вероятность обратного распада на берилий и альфа-частицу возрастает. Альтернативно, переход в основное состояние может происходить с испусканием электрон-позитронной пары (зеленые стрелки на рисунке).

Образовавшиеся углеродные ядра могут вполне успешно реагировать с альфа-частицами и образовать кислородное ядро. Скорость этого захвата четвертой альфа частицы сравнима со скоростями образования ядер углерода, так что образуется и C и O одновременно, особенно при высоких температурах. Поскольку энергии возможных образующихся возбужденных состояний O меньше энергии сливающихся ядер, то реакция образования O не является резонансной. Такого типа реакции называю "подбарьерными".