Art.82 -- Fisica nucleare, teoria delle reazioni di fusione nucleare nella nucleosintesi stellare primordiale -- Antonio Dirita

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La sintesi dell'universo ha inizio con la separazione dello spazio fisico dallo spazio geometrico ( Art.3    e  Art.4    ) e la formazione
dell'elemento spaziale, capace di aggregarsi secondo regole che si sintetizzano nei principi di conservazione
dell'energia e del momento
angolare.
Il processo di aggregazione subisce una battuta d'arresto quando giunge alla sintesi dell'idrogeno, che ancora oggi rappresenta l'elemento
in assoluto di gran lunga più abbondante nell'universo.
A questo punto il processo di aggregazione ha proseguito con modalità diverse, imposte dai principi di conservazione.
La prima reazione di sintesi è quella di fusione tra due atomi di idrogeno, che forma deuterio secondo lo schema :


-                                    (H₁¹+e) + (H₁¹+e) → (H₁²+e) + γ

 

il deutone così formato può dare origine alle due reazioni seguenti :


                                   H₁² + H₁¹ → He₂³ + γ(1,44 MeV)
oppure :

                                   H₁² + H₁² → H₁³(1,01 MeV) + p(3,02 MeV)

                                   H₁² + H₁² → He₂³(0,82 MeV) + n(2,45 MeV)

i prodotti della reazione si fondono ancora con deutoni, producendo protoni e neutroni molto energetici :

                                   H₁³ + H₁² → He₂⁴(3,52 MeV) + n(14,07 MeV)

                                   He₂³ + H₁² → He₂⁴(3,67 MeV) + p(14,68 MeV)

                                   He₂³ + n → He₂⁴ + γ(19,69 MeV)

                                   He₂³ + He₂³ → He₂⁴(3,67 MeV) + 2⋅ p(12,9 MeV)

Seguendo diversi schemi alternativi, i nuclei di elio si fondono per sintetizzare i nuclei più pesanti.

                                   He₂³ + He₂⁴ → Be₄⁷ + γ

il   Be₄⁷  è instabile e si trasforma secondo i due seguenti schemi alternativi .

                                   Be₄⁷ + e → Li₃⁷ + γ

                                   Be₄⁷ + p → B₅⁸ + γ
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Mentre la prima reazione, che prevede la sintesi di un neutrone, presenta una probabilità di realizzarsi molto bassa, la seconda invece si
realizza con molta facilità, in quanto prevede solo l'assorbimento di un protone in un ambiente in cui essi sono molto abbondanti.
Anche per questa ragione, il litio in natura sarà poco presente.
Il nucleo  B₅⁸ è instabile e si scinde secondo lo schema :

                                            B₅⁸ → Be₄⁸ + β+ + γ(14,06 MeV)

Anche il   Be₄⁸  è instabile e si trasforma secondo diverse vie. La reazione più probabile è quella di fusione con un nucleo di elio per
sintetizzare il carbonio, secondo la :
                                                        Be₄⁸ + He₂⁴ → C₆¹²

la seconda reazione possibile è la scissione in due nuclei di elio, senza dare così alcun contributo alla nucleosintesi.


-                                                          Be₄⁸ → He₂⁴ + He₂⁴

Esiste infine una lontana possibilità che il nucleo assorba un neutrone libero, secondo lo schema :                Be₄8 + n → Be₄⁹
Sempre con probabilità molto bassa, si può avere la reazione :

                                                          B₅⁸ + e → Be₄⁹

In ogni caso, l'isotopo  Be₄⁹  sarà sempre poco presente in natura.
Abbiamo, a questo punto della nucleosintesi, un numero di nuclei di carbonio relativamente abbondante in un ambiente ricco di idrogeno
ed elio, con i quali essi possono fondersi fornendo nuclei più stabili.
In opportune condizioni ambientali, il processo risulta spontaneo e si realizza con liberazione di energia.

                                             C₆¹² + He₂⁴ → O₈¹⁶ + γ(7,04 MeV)

                                               C₆¹² + H₁¹ → N₇¹³ + γ(25,04 MeV)

                                                        N₇¹³ → C₆¹³ + β+ + γ

                                               C₆¹³ + H₁¹ → N₇¹⁴ + γ(4,49 MeV)

                                              N₇¹⁴ + H₁¹ → O₈¹⁵ + γ

                                                        O₈¹⁵ → N₇¹⁵ + β+ + γ

                                              N₇¹⁵ + H₁¹ → C₆¹² + He₂⁴ + γ(7,66 MeV)

Una volta su 2000 circa, invece di quest'ultima reazione si realizza il ciclo seguente :

                                               N₇¹⁵ + H₁¹ → O₈¹⁶ + γ(14,70 MeV)

                                               O₈¹⁶ + H₁¹ → F₉¹⁷ + γ

                                               F₉¹⁷ → O₈¹⁷ + β+ + γ
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le due reazioni possono essere sintetizzate nell'unico evento :

                                              O₈¹⁶ + H₁¹ → O₈¹⁷ + β+ + γ(6,82 MeV)

                                              O₈¹⁷ + H₁¹ → F₉¹⁸ + γ

                                              F₉¹⁸ → O₈¹⁸ + β+ + γ
equivalenti a :
                                              O₈¹⁷ + H₁¹ → O₈¹⁸ + β+ + γ(6,78 MeV)

alcune volte si verifica la reazione endotermica :    O₈¹⁷ + H₁¹(2,59 MeV) → N₇¹⁴ + He₂⁴

                                              O₈¹⁸ + H₁¹ → F₉¹⁹ + γ(3,19 MeV)

                                              F₉¹⁹ + H₁¹ → Ne₁₀²⁰ + γ(4,87 MeV)

Inizia, a questo punto, la fusione dei nuclei di elio, realizzando le reazioni :

                                         Ne₁₀²⁰ + He₂⁴ → Mg₁₂²⁴ + γ(21,05 MeV)

I nuclei  Ne₁₀²⁰ e Mg₁₂²⁴ assorbono protoni ed emettono positroni, realizzando un aumento del numero di neutroni, secondo
lo schema solito :

                                          NZA + H₁¹ → NZ(A +1) + β+ + γ(energia)
si arriva così alla sintesi del silicio con la reazione :

                                        Mg₁₂²⁴ + He₂⁴ → Si₁₄²⁸ + γ(6,15 MeV)

Per fusioni successive di nuclei di silicio con quelli di elio, si arriva alla sintesi del ferro :

                             Si₁₄³⁰ + 6 ⋅ He₂⁴ → Fe₂₆⁵⁴ + γ (49,01 MeV complessivamente)

A questo punto, per assorbimenti ripetuti di protoni e cattura di elettroni sulla prima orbita ( verso il nucleo ) , vengono sintetizzati tutti
gli isotopi, del ferro, 
fino all'ultimo, instabile, Fe₂₆⁵⁹  secondo lo schema :

                              Fe₂₆⁵⁴ + 2⋅ H₁¹ → Fe₂₆⁵⁶ + γ(16,43 MeV complessivamente)

Il nucleo   Fe ₂₆⁵⁹  decade formando cobalto, secondo la reazione :

                                              Fe₂₆⁵⁹ → Co₂₇⁵⁹ + β + ν
3
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Per assorbimento di un protone e successiva cattura di un elettrone, oppure per cattura diretta di un neutrone proveniente dall'esterno,
il Co₂₇⁵⁹ forma il nucleo radioattivo  Co₂₇⁶⁰  che decade con emissione  β , formando il nucleo stabile  Ni₂₈⁶⁰ .

                                   Co₂₇⁵⁹ + n → Ni₂₈⁶⁰ + β + γ(12,13 MeV)

Sempre per assorbimento di protoni liberi e successiva cattura di un elettrone interno, oppure per cattura diretta di neutroni esterni,
vengono sintetizzati tutti gli altri isotopi.
Il  Ni₂₈⁶² , cattura un protone e produce il nucleo stabile  Cu₂₉⁶³ , secondo la reazione :

                                        Ni₂₈⁶² + H₁¹ → Cu₂₉⁶³ + γ(4,49 MeV)

analogamente :                                               Ni₂₈⁶⁴ + H₁¹ → Cu₂₉⁶⁵ + γ(4,50 MeV)

Procedendo sempre per cattura di protoni, vengono sintetizzati anche i nuclei più pesanti.
Lo schema generale è il seguente :
                                      AZA + H₁¹ → A(Z+1)(A+1)(stabile) + γ(energia)
in alternativa :
                                         AZA + n → AZ(A+1)(radioattivo) + γ

                   AZ(A+1)(radioattivo) → A(Z+1)(A+1)(stabile) + β + γ

Con qualche rara eccezione, le reazioni indicate sono praticamente sempre esoenergetiche.

E' da sottolineare che, se le reazioni non vengono realizzate artificialmente, nella nucleosintesi, i neutroni che abbiamo indicato sono
quelli che vengono 
sintetizzati per cattura all'interno dei nuclei e solo raramente sono provenienti dall'esterno.
Per poter soddisfare i principi di conservazione dell'energia e della quantità di moto del sistema formato dalle due particelle interagenti,
spesso fuoriescono con una energia quasi uguale a quella del protone incidente.
Con il processo descritto vengono sintetizzati tutti i nuclei fino all'astato   At₈₅²¹⁰ , anche se gli ultimi due nuclei non sono stabili ed
in un tempo relativamente breve decadono, formando nuclei stabili.
E' da notare che, per comodità di esposizione, nella successione di reazioni che abbiamo indicato, sono state inserite anche quelle di
scissione, le quali in realtà non sono di fusione, ma di fissione e verranno trattate in maniera più completa in seguito.

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