Warum können Wasserstoff und Helium nicht verschmelzen?

Wasserstoff und Helium können sich kurzzeitig zu Lithium-5 verbinden, aber dies ist ein extrem instabiles Nuklid, das sofort auseinanderfällt (mit einer Halbwertszeit von${\sim}4\times 10^{-22}\:\rm s$) und für deren Herstellung aktiv Energie benötigt wird (dh es ist ein endothermer Prozess, im Gegensatz zu dem, wie wir normalerweise an Kernfusion denken).

Der Grund dafür ist, dass Helium-4 ein besonders stabiles System ist und eine enorme Bindungsenergie besitzt$-$viel größer als alles, was unmittelbar höher in der Größe ist. In Lithium-5 haben Sie drei Protonen, die Sie sich als zwei von ihnen gepaart und einen einzelnen Kerl in einer eigenen Kernhülle mit viel höherer Energie vorstellen können. Diese Energie ist so hoch, dass es für das zusätzliche Proton einfacher ist, sich einfach abzulösen und zu einem separaten Wasserstoffkern zu werden.

Um stabiles Lithium herzustellen, braucht man mehr Neutronen, um das Nuklid zu stabilisieren, also sind nur Lithium-6 und Lithium-7 stabil.

Dies wirft die Frage auf, ob es nicht möglich ist, geeignete Isotope zu kombinieren, um diejenigen herzustellen, für die die einzigen Kandidaten sind

• Die erste Reaktion findet statt, und diese Arbeit nennt sie z. B. "Strahlungseinfang von Deuterium auf Alpha-Teilchen". Aber es ist äußerst unwahrscheinlich, und es produzierte nur Spuren von Lithium-6 (bezogen auf die Lithium-7-Produktion) in der Urknall-Nukleosynthese. (Und außerdem ist Deuterium in Sternkernen nicht stabil .)
• Der zweite passiert und erzeugt Energie. Bei der stellaren Nukleosynthese ist dies jedoch unwahrscheinlich, da Tritium benötigt wird, das instabil ist.
• Die dritte Reaktion kann ebenfalls stattfinden (wird z. B. in diesem Artikel untersucht ), ist aber wiederum äußerst unwahrscheinlich und erfordert Tritium, das instabil ist.

Für das, was es wert ist, sind diese Reaktionen exotherm und setzen 1,5, 2,4 bzw. 934 MeV Energie frei, sodass sie von selbst ablaufen können, ohne dass den Reaktanten Anfangsenergie zugeführt werden muss, damit sie verschmelzen.

Mit anderen Worten, die höheren Isotope von Wasserstoff haben einen offenen Fusionskanal mit Helium, um Lithium zu produzieren. Diese Kanäle sind jedoch aufgrund der Details, wie wahrscheinlich die Reaktionen stattfinden, so unterdrückt, dass sie in der stellaren Nukleosynthese vernachlässigbar sind.

Und schließlich gibt es ein noch größeres Problem, das als Lithiumverbrennung bekannt ist: Wenn Sie einfach einen Lithiumkern (entweder die -6- oder -7-Isotope) in einen Sternkern freisetzen, neigt der Stern dazu, ihn roh zu fressen:

• Lithium-7 kann mit Wasserstoff zu Beryllium-8 verschmelzen, das sofort in zwei Hälften zerbricht und zwei Helium-4-Kerne ergibt. Auch dies ist eine Folge der extremen Stabilität von Alphateilchen im Vergleich zu ihren Nachbarn in der Nuklidtabelle.
• Lithium-6 kann mit Wasserstoff zu Beryllium-7 verschmelzen, das durch Elektroneneinfang zu Lithium-7 zerfällt. Das resultierende Lithium-7 wird dann wie oben ein weiteres Proton einfangen.

Das Endergebnis dieses Mechanismus ist, dass entwickelte Sterne weniger Lithium enthalten als die Ursuppe, mit der sie begonnen haben.

Ein Problem ist die Erhaltung der Baryonenzahl, dh die Anzahl der Nukleonen vor und nach der Reaktion muss gleich sein. Sie sollten Protonen nicht in Neutronen oder umgekehrt umwandeln (es sei denn, es gibt keinen anderen Weg), da dies eine schwache Wechselwirkung erfordern würde - und wenn es eine Möglichkeit gibt, zu reagieren, ohne sich auf eine schwache Wechselwirkung zu verlassen, werden die Kerne normalerweise diesen Weg wählen. Eine andere ist die Erhaltung von Energie und Impuls: Damit beide erhalten bleiben, muss es neben dem neuen Kern, der bei der Reaktion entsteht, ein weiteres Teilchen geben, damit sowohl Energie als auch Impuls erhalten bleiben.

Die Fusion von Wasserstoff-1 und Helium-4 müsste 5 Nukleonen haben, aber es gibt keinen stabilen Kern dieser Größe 5. Helium-5 hat die Halbwertszeit von$7×10^{−22}$s und Lithium-5 hat die Halbwertszeit von$3.7×10^{−22}$S. Das ist zu kurz, um an einer weiteren Reaktion teilzunehmen und möglicherweise einen schwereren, stabilen Kern zu erzeugen, bevor er zerfällt. Deshalb entsteht bei der Reaktion von Wasserstoff-2 mit Helium-3 nur Helium-4 und ein Proton.

Wenn Wasserstoff-2 und Helium-4 zu Lithium-6 verschmelzen würden, müssten bei dieser Reaktion keine Nukleonen von Proton zu Neutron oder umgekehrt wechseln, und ohne eine solche Änderung gäbe es keine Nebenprodukte (wie Elektronen und Neutrinos). ), die notwendig sind, um Energie und Impuls auszugleichen. Es ist möglich, dass es mit der Emission eines Photons passiert, aber das bedeutet, dass elektromagnetische Wechselwirkung in die Reaktion einbezogen wird, die viel schwächer als die starke Wechselwirkung ist, und das macht die Reaktion viel unwahrscheinlicher (und deshalb weniger effektiv). bei der Energieerzeugung). Die Fusion von Wasserstoff-3 und Helium-3 zu Lithium-6 oder Wasserstoff-3 und Helium-4 zu Lithium-7 hat das gleiche Problem.

Es scheint eine Reaktion möglich zu sein, bei der Wasserstoff-3 und Helium-4 Lithium-6 und Neutronen erzeugen, da dies keine Regeln verletzt. Diese Reaktion verbraucht jedoch Energie, anstatt sie zu produzieren (das Produkt wiegt mehr als die Reagenzien) und kann daher nicht das Brennen eines Sterns antreiben, zumal Tritium-3 ein seltenes Isotop ist.

Zusammenfassend: Die Fusionsreaktion zwischen Helium und Wasserstoff kann

1. passieren, ohne dass neue Elemente erstellt werden, oder
2. sind keine effektive Energiequelle.