Proton-Proton-Reaktion
Die Proton-Proton-Reaktion (p-p-Reaktion, Proton-Proton-Kette) ist eine von zwei Fusionsreaktionen des so genannten Wasserstoffbrennens, durch die die Sterne Wasserstoff in Helium umwandeln. Die andere Reaktion ist der Bethe-Weizsäcker-Zyklus (CNO-Zyklus). Bei Sternen mit Größen bis zur Masse der Sonne spielt die Proton-Proton-Reaktion eine wichtigere Rolle bei der Energieerzeugung. Der stark exotherme Charakter der Fusion rührt daher, dass das Endprodukt Helium eine um etwa 1% geringere Masse aufweist, als die in die Reaktion eingegangenen Wasserstoffteilchen (Massendefekt). Die Differenz wird dabei nach der einsteinschen Gleichung E = mc² fast vollständig in Energie umgewandelt.Die Proton-Proton-Reaktion hat die niedrigsten Temperaturvoraussetzungen aller in Sternen auftretenden Fusionsreaktionen (in Braunen Zwergen laufen zwar auch unterhalb dieser Grenze Fusionsreaktionen ab, sie zählen aber nicht zu den Sternen). Sie kann in Sternen mit einer Kerntemperatur von mehr als 3 Millionen Kelvin ablaufen. Bei diesen Temperaturen sind alle beteiligten Atomkerne vollständig ionisiert, d. h. ohne Elektronenhülle.
Die Energieerzeugungsrate ist bei der Proton-Proton-Reaktion proportional zur 6. Potenz der Temperatur. Mithin bewirkt eine Erhöhung der Temperatur um 5% eine Steigerung von 35% bei der Energiefreisetzung.
Table of contents |
2 Proton-Proton-Reaktion I 3 Proton-Proton-Reaktion II 4 Proton-Proton-Reaktion III 5 Asche |
Startreaktionen
Zunächst fusionieren zwei Wasserstoffkerne 1H (Protonen) zu einem Deuteriumkern 2H, wobei durch die Umwandlung eines Protons in ein Neutron ein Positron e+ und ein Elektronneutrino νe frei wird.
- 1H + 1H → 2H + e+ + νe + 0,42 MeV
Das entstandene Positron annihiliert mit einem Elektron e-, d. h. sie reagieren miteinander und werden vollständig in Energie umgewandelt. Die Masse beider Partner wird in Form von zwei Gammaquanten γ als Energie frei.
- e+ + e- → 2γ + 1,02 MeV
- 2H + 1H → 3He + γ + 5,49 MeV
Proton-Proton-Reaktion I
Nach Durchschnittlich 106 Jahren fusionieren zwei Heliumkerne 3He zu 4He (α-Teilchen), wobei zwei Protonen freiwerden. Sie stehen für weitere Reaktionsschritte zur Verfügung.
- 3He +3He → 4He + 1H + 1H + 12,86 MeV
- 2×(0,42 MeV + 1,02 MeV + 5,49 MeV - 0,26 MeV) + 12,86 MeV = 26,2 MeV
Proton-Proton-Reaktion II
Bei der Proton-Proton-Reaktion II dient ein früher erzeugter Heliumkern 4He als Katalysator, um ein weiteres aus 3He herzustellen.
3He + 4He | → | 7Be + γ |
7Be + e- | → | 7Li + νe |
7Li + 1H | → | 4He + 4He |
Die Proton-Proton-Reaktion II läuft vorrangig bei Temperaturen von 14–23 Millionen Kelvin ab.
Proton-Proton-Reaktion III
Auch hier fungiert ein Heliumkern 4He als Katalysator.
3He + 4He | → 7Be + γ |
7Be + 1H | → 8B + γ |
8B | → 8Be + e+ + νe |
8Be | ↔ 4He + 4He |
Die Proton-Proton-Reaktion III ist vorherrschend bei Temperaturen über 23 Millionen Kelvin.
Asche
Die »Asche« des Wasserstoffbrennens ist Helium 4He, das als Ausgangsstoff beim u. U. später einsetzenden Heliumbrennen dienen kann.
Siehe auch: Bethe-Weizsäcker-Zyklus, 3α-Prozess