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Bethe-Weizsäcker-Zyklus


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Der Bethe-Weizsäcker-Zyklus (auch CNO-Zyklus CN-Zyklus Kohlenstoff-Stickstoff-Zyklus ) ist eine der beiden Fusionsreaktionen des so genannten Wasserstoffbrennens durch die Sterne Wasserstoff in Helium umwandeln; die andere ist die Proton-Proton-Reaktion . Der Zyklus wurde zwischen 1937 und 1939 von den Physikern Bethe und Weizsäcker entdeckt. Die Namen CN- bzw. CNO-Zyklus von den an der Reaktion beteiligten Elementen Kohlenstoff (C) Stickstoff (N) und Sauerstoff (O). Während die Proton-Proton-Reaktion eine wichtigere bei Sternen mit Größen bis zur Masse Sonne spielt zeigen theoretische Modelle dass der vermutlich die vorherrschende Energiequelle in schwereren Sternen darstellt.

Der Bethe-Weizsäcker-Zyklus läuft erst ab Temperaturen über 14 Millionen Kelvin ab und ist ab 30 Millionen Kelvin Bei diesen Temperaturen sind alle beteiligten Atomkerne ionisiert d. h. ohne Elektronenhülle . Zudem wird das Vorhandensein einer gewissen an Kohlenstoff 12 C vorausgesetzt. Da beim Urknall nach gegenwärtiger Meinung kein Kohlenstoff entstehen war es den Sternen der ersten Generation unmöglich Energie auf diese Art zu erzeugen.

Beim Bethe-Weizsäcker-Zyklus vollziehen sich im Wesentlichen von Wasserstoffkernen 1 H ( Protonen ) mit den schwereren Kernen 12 C 13 C 14 N und 15 N daher auch der Name CN-Zyklus . Bei der Fusion wird teilweise Energie Form von Gammaquanten  γ abgegeben. Zwei der entstehenden Zwischenprodukte 13 N und 15 O sind instabil und zerfallen nach kurzer Zeit jeweils unter Aussendung Positrons  e + und eines Elektronneutrinos  ν e . Die einzelnen Reaktionsschritte sind nachfolgend aufgeführt. Spalte Lebensdauer gibt die mittlere Zeit an nach die Teilchen auf den linken Seiten der reagieren:

        Lebensdauer
12 C + 1 H 13 N + γ + 1 95  MeV 1 3·10 7  Jahre
13 N 13 C + e + + ν e + 1 37 MeV 7 Minuten
13 C + 1 H 14 N + γ + 7 54 MeV 2 7·10 6  Jahre
14 N + 1 H 15 O + γ + 7 35 MeV 3 2·10 8  Jahre
15 O 15 N + e + + ν e + 1 86 MeV 82 Sekunden
15 N + 1 H 12 C + 4 He + 4 96 MeV 1 12·10 5  Jahre

Gesamtergebnis des Zyklus ist die Fusion vier Wasserstoffkernen 1 H zu einem Heliumkern 4 He ( α-Teilchen ) dessen Masse um etwa 1% geringer als die Masse der vier Protonen ( Massendefekt ). Die Differenz wird dabei nach der einsteinschen Gleichung E  =  mc ² fast vollständig in Energie umgewandelt. Die beträgt hier +25 03 MeV. Der Kohlenstoffkern 12 C dient nur als Katalysator und wird schließlich mit der letzten regeneriert. Die Energie die die Neutrinos in ihrer (geringen) Ruhemasse und vor allem ihrer kinetischen Energie tragen wird dem Stern entzogen da nahezu ungehindert durch die Sternmaterie hindurch entweichen

Ein vollständiger Durchlauf des Zyklus benötigt Zeiträume – in der Größenordnung von 3 8  Jahren – da darin vier Protoneneinfänge zwei β + -Zerfälle und schließlich ein α-Zerfall vorkommen. Der Zyklus läuft damit jedoch rascher ab als die Proton-Proton-Reaktion (einige Milliarden daher können Sterne auf diese Weise wesentlich Energie freisetzen.

Die Energieerzeugungsrate ist beim Bethe-Weizsäcker-Zyklus proportional zur 15. Potenz (sic!) der Temperatur. Mithin bewirkt eine der Temperatur um 5% eine Steigerung von bei der Energiefreisetzung.

Die »Asche« des Wasserstoffbrennens ist Helium 4 He das als Ausgangsstoff beim u. U. später Heliumbrennen dienen kann.

Siehe auch: Proton-Proton-Reaktion 3α-Prozess Kohlenstoffbrennen Sauerstoffbrennen



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