Catena protone-protone
# Catena protone-protone

La catena protone-protone è un processo chimico nucleare che trasforma i nuclei di idrogeno (protoni) in nuclei di elio. Il processo fu ipotizzato nel 1939 dal fisico e astronomo tedesco Hans Albrecht Bethe. Il ciclo protone-protone rappresenta la sorgente di energia principale per la maggior parte delle stelle dell'universo, compreso il Sole nel quale questa catena è il processo predominante. Un altro processo che porta alla formazione di elio partendo da idrogeno è il ciclo CNO.

## Catena delle reazioni

Nel primo passaggio due nuclei di idrogeno $^1H$ (protoni) si fondono per formare un nucleo di deuterio $^2H,$ rilasciando un positrone (poiché un protone è diventato un neutrone) ed un neutrino (decadimento β+).

    $^1H$ + $^1H$ → $^2H$ + $e^+$ + $ν_e$

con il neutrino che porta un'energia che varia da 0 a 0,42 MeV.

Questo primo passaggio è estremamente lento per due motivi: il primo è che per i due protoni è necessario superare la barriera di repulsione elettrostatica (e ciò può avvenire unicamente per effetto tunnel, che ha una probabilità bassa anche se non nulla), e perché il decadimento da due protoni a deuterio è una interazione debole che converte un protone in un neutrone. Questo è il collo di bottiglia di tutta la catena, un protone deve aspettare in media circa $10^9$ anni prima di fondersi con un altro a dare un nucleo di deuterio.

Il positrone si annichila immediatamente con un elettrone, e le loro masse a riposo sono trasformate in due raggi gamma.

    $e^+$ + $e^−$ → 2γ per energia totale di almeno 1,022 MeV pari alla massa a riposo delle due particelle

Dopo la produzione di deuterio nel primo passaggio esso si può fondere con un altro nucleo di idrogeno per produrre un isotopo leggero dell'elio, $l'^3He:$

    $^2H$ + $^1H$ → $^3He$ + γ + 5,49 MeV

Da qui tre differenti rami portano alla formazione dell'isotopo dell'elio $^4He.$ In pp1 l'elio-4 viene dalla fusione di due nuclei di elio-3; gli altri rami, pp2 e pp3 richiedono elio-4 prodotto nel pp1; entrambe presentano differenti percorsi che il Berillio-7 può seguire. Nel Sole, il ramo pp1 ha una frequenza del 91%, pp2 9% e pp3 0,1%.

### Ramo pp I

    $^3He$ $+^3He$ → $^4He$ + $^1H$ + $^1H$ + 12,96 MeV

Il completamento della catena pp I rilascia un'energia netta di 26,73 MeV. Il ramo pp I è dominante a temperatura tra 10 e 14 MK. Sotto i 10 MK, la catena pp non produce più $^4He.$

### Ramo pp II

| $^3He$ + $^4He$ | → | $^7Be$ + γ |
| - | - | - |
| $^7Be$ + $e^−$ | → | $^7Li$ + $ν_e$ |
| $^7Li$ + $^1H$ | → | $^4He$ + $^4He$ |

Il ramo pp II è dominante a temperature tra 14 e 23 MK.

Il 90% dei neutrini prodotti nella reazione $^7Be(e^−,ν_e)^7Li*$ portano un'energia di 0,861 MeV, mentre il rimanente 10% un'energia di 0,383 MeV (dipende dal fatto che il litio-7 sia in uno stato eccitato o meno).

### Ramo pp III

| $^3He$ + $^4He$ | → | $^7Be$ + γ |
| - | - | - |
| $^7Be$ + $^1H$ | → | $^8B$ + γ |
| $^8B$ | → | $^8Be$ + $e^+$ + $ν_e$ |
| $^8Be$ | ↔ | $^4He$ + $^4He$ |

Il ramo pp III è dominante a temperature maggiori di 23 MK.

Il ramo pp III non è la maggiore sorgente di energia per il Sole (poiché la temperatura del nucleo non è abbastanza alta) ma è molto importante per il problema dei neutrini solari poiché genera i neutrini a più alta energia (≤14.06 MeV).

### Ramo pp IV o Hep

In questo caso l'elio-3 reagisce direttamente con un protone per dare elio-4

    $^3He$ + $^1H$ → $^4He$ + $ν_e$ + $e^+$

### Energia rilasciata

Confrontando la massa dell'elio-4 finale con le masse dei quattro protoni si ottiene che lo 0,7% della massa originaria è persa. Questa massa è convertita in energia, in particolare in raggi gamma, in energia cinetica dei prodotti e dei neutrini rilasciati durante le reazioni individuali. L'energia totale che si ottiene da un ramo intero è di 26,73 MeV.

Solo l'energia rilasciata sotto forma di raggi gamma può interagire con gli elettroni e i protoni e scaldare l'interno del Sole. Questo riscaldamento fa sì che il Sole non collassi sotto il suo peso.

## Reazione pep

Il deuterio può anche essere prodotto tramite una rara reazione di cattura elettronica pep (protone-elettrone-protone):

    $^1H$ + $e^−$ + $^1H$ → $^2H$ + $ν_e$

Nel Sole, la frequenza della reazione pep è 1/400 della pp. Tuttavia i neutrini rilasciati sono molto più energetici: mentre i neutrini prodotti nel primo passaggio della pp vanno da 0 a 0,42 MeV, i neutrini della pep producono una linea stretta a 1,44 MeV.

