Mekanizimu ya miitikio ya muunganiko wa nyuklia katika nyota

Mnyororo wa protoni-protoni (proton-proton chain reaction)

Huu ndio mmenyuko wa muunganiko wa nyuklia katika nyota unaojulikana zaidi na watu. Deuteroni, yaani kiini cha deuteriamu, hutengenezwa kwa kuungana kwa protoni($p$) moja na nyutroni($n$) moja. Kwa hiyo, ili protoni na protoni ziungane na kuwa kiini cha deuteriamu, moja kati ya hizo mbili lazima ibadilike kuwa nyutroni. Basi protoni inaweza kubadilika kuwa nyutroni kwa namna gani?

• Mchakato ambao nyutroni($n$) hubadilika kuwa protoni($p$) huku ikitoa elektroni($e⁻$) na antinyutrino($\nu_e$) unaitwa ‘uozo wa beta’. Ukiandikwa kama mlinganyo wa mmenyuko, ni $n \rightarrow p + e^{-} + \overline{\nu_e}$.
• Mchakato ambao protoni($p$) hubadilika kuwa nyutroni($n$) ni mchakato wa kinyume wa uozo wa beta. Kwa hiyo huitwa ‘uozo wa beta wa kinyume’. Basi mlinganyo wa uozo wa beta wa kinyume unaonekanaje? Hakuna jambo la pekee kwa sababu tu ni mlinganyo wa mmenyuko wa nyuklia. Badilisha tu nafasi za protoni na nyutroni, kisha ubadilishe elektroni kuwa pozitroni na antinyutrino kuwa nyutrino. Kwa maandishi ya fomula, ni $p \rightarrow n + e^{+} + \nu_e$.

Baada ya kiini cha atomi ya deuteriamu kutengenezwa kupitia mchakato wa juu, kiini cha heliamu-3 hutengenezwa kwa $^2_1D + p \rightarrow {^3_2He}$, na mwishowe viini viwili vya heliamu-3 hugongana na kutengeneza kiini cha heliamu-4 pamoja na protoni 2.

Kwa kweli, njia ya mmenyuko ya mnyororo wa protoni-protoni si moja tu. Hiyo ya juu ndiyo inayowakilisha zaidi, lakini kuna njia nyingine kadhaa pia. Hata hivyo, njia hizo zilizobaki hazichangii sana katika nyota zenye misa isiyozidi ya Jua, na katika nyota zenye misa ya zaidi ya mara 1.5 ya Jua, mzunguko wa CNO utakaotajwa baadaye huwa na mchango mkubwa zaidi kuliko mnyororo wa protoni-protoni, kwa hiyo hapa sitazijadili kando.

Mnyororo huu wa protoni-protoni hutokea kwa kutawala katika halijoto ya takriban milioni 10 K hadi milioni 14 K. Kwa upande wa Jua, halijoto ya sehemu ya kati ni karibu milioni 15 K, na mnyororo wa pp unachukua 98.3%. (1.3% iliyobaki inachukuliwa na mzunguko wa CNO)

Mwitikio wa mzunguko wa kaboni-nitrojeni-oksijeni (CNO Cycle)

Mwitikio wa mzunguko wa CNO ni mchakato ambao kaboni hupokea protoni na kubadilika kuwa nitrojeni, kisha nitrojeni pia hupokea protoni na kubadilika kuwa oksijeni, na kupitia hatua kama hizo, hatimaye hupokea protoni 4 na kutoa heliamu 1 kisha hurudi tena kuwa kaboni. Sifa yake ni kwamba kaboni, nitrojeni, na oksijeni hufanya kazi kama kichocheo. Kwa nadharia, mzunguko huu wa CNO hutawala katika nyota zenye misa ya angalau mara 1.5 ya misa ya Jua. Tofauti ya miitikio kulingana na misa ya nyota inatokana na tofauti ya utegemezi wa halijoto kati ya mnyororo wa protoni-protoni na mzunguko wa CNO. Wa kwanza huanza katika halijoto ya chini kiasi, karibu milioni 4 K, na kasi ya mmenyuko inasemekana kuwa sawia na daraja la 4 la halijoto. Kwa upande mwingine, wa pili huanza karibu milioni 15 K lakini ni nyeti sana kwa halijoto (kasi ya mmenyuko huwa sawia na daraja la 16 la halijoto), hivyo katika halijoto ya zaidi ya milioni 17 K, mzunguko wa CNO huja kuwa na mchango mkubwa zaidi.

Chanzo cha picha

• Mwandishi: mtumiaji wa Wikimedia RJHall
• Leseni: CC BY-SA 3.0

Mzunguko wa CNO pia una njia mbalimbali. Kwa ujumla hugawanywa katika mzunguko wa CNO wa halijoto ya chini (ndani ya nyota) na mzunguko wa CNO wa halijoto ya juu (nova, supernova), na katika kila moja yao kuna tena njia tatu au nne za mmenyuko. Ningependa kujadili miitikio yote ya mzunguko wa CNO, lakini kiasi hiki cha maandishi hakitoshi kufanya hivyo, kwa hiyo nitajadili tu mzunguko wa msingi zaidi wa CN*, yaani CNO-I.

*Sababu ya kuitwa mzunguko wa CN bila O ni kwamba katika mchakato huo wa mmenyuko hakuna isotopu thabiti ya oksijeni.

Kama inavyoonyeshwa kwenye mchoro wa juu, kaboni, nitrojeni, na oksijeni huzunguka na kufanya kazi ya kichocheo. Hata hivyo, bila kujali njia ya mmenyuko, mlinganyo wa jumla wa mmenyuko na kiasi cha jumla cha nishati inayozalishwa hubaki sawa.

Usomaji zaidi

• Inkyu Park (profesa katika Idara ya Fizikia, Chuo Kikuu cha Seoul City), Navercast Physics Walk: Ni nyutrino ngapi hutengenezwa katika Jua?
• Wikipedia, Proton-proton chain
• Wikipedia, CNO cycle