CNOサイクル

水素をヘリウムに変換する最初の触媒サイクルは、当初は炭素-窒素サイクル（CNサイクル）と呼ばれ、1937年から1938年にかけてのカール・フリードリヒ・フォン・ ヴァイツゼッカー^{[ 5 ] [ 6 ]}とハンス・ベーテの独立した研究にちなんでベーテ-ヴァイツゼッカーサイクルとも呼ばれた。ベーテの1939年のCNサイクルに関する論文^{[ 7 ] [ 8 ]}は、ロバート・バッハーとミルトン・スタンレー・リビングストンと共同で書かれた3つの以前の論文^{[ 11 ] [ 12 ] [ 13 ]}に基づいており、非公式にはベーテの聖書として知られるようになった。これは長年にわたり原子核物理学の標準的な著作とみなされ、彼が1967年のノーベル物理学賞を受賞する大きな要因となった^{[ 14 ]}。ベーテの当初の計算では、CNサイクルが太陽の主要なエネルギー源であると示唆されていた。^{[ 7 ] [ 8 ]}この結論は、太陽中の窒素の存在量が約 10% であるという、現在では誤りであることがわかっている信念から生じたものであり、実際には 0.5% 未満である。 ^{[ 15 ]}酸素の安定同位体を含まないことから名付けられた CN サイクルは、次の変換サイクルを含む。^{[ 15 ]}

¹² ₆ C → ¹³ ₇ N → ¹³ ₆ C → ¹⁴ ₇ N → ¹⁵ ₈ O → ¹⁵ ₇ N → ¹² ₆ C

このサイクルは現在、より大きなプロセスであるCNOサイクルの最初の部分として理解されており、このサイクルの部分（CNO-I）の主な反応は次のとおりです。^{[ 15 ]}

最初の反応で使用された炭素12原子核は、最後の反応で再生されます。2つの陽電子（ベータプラス崩壊によって放出）が周囲の2つの電子と対消滅して、さらに2.04  MeV の場合、1 サイクルで放出される総エネルギーは 26.73 MeV です。一部のテキストでは、著者が誤って陽電子消滅エネルギーをベータ崩壊のQ 値 に含め、その後、消滅によって放出される同量のエネルギーを無視しているため、混乱が生じる可能性があります。すべての値は、Atomic Mass Evaluation 2003 を参照して計算されています。^{[ 17 ]}

CNO-Iサイクルの律速段階（最も遅い）反応は、¹⁴ ₇ Nへの陽子捕獲である。2006年に恒星エネルギーまで実験的に測定され、球状星団の計算年齢が約10億年修正された。^{[ 18 ]}

ベータ崩壊で放出されるニュートリノは、運動量が保存されるものの、陽電子とニュートリノの間で運動量がどのような形でも分配される可能性があるため、エネルギー範囲のスペクトルを持つ。つまり、どちらかが静止した状態で放出され、もう一方が全エネルギーを奪う、あるいはその中間など、Q値からのエネルギーがすべて使用される限り、あらゆる方法で分配される可能性がある。陽電子とニュートリノが受け取る全運動量は、はるかに重い娘核^{[ a ]}の大きな反跳を引き起こすほど大きくないため、ここで与えられた値の精度では、生成物の運動エネルギーへの寄与は無視できる。したがって、窒素13の崩壊中に放出されるニュートリノは、ゼロから1.20  MeV、酸素15の崩壊時に放出されるニュートリノのエネルギーはゼロから1.73  MeV。平均すると、 サイクルの各ループで全エネルギー出力の約 1.7 MeV がニュートリノによって奪われ、約25  MeVのエネルギーが光度生成に利用可能である。^{[ 19 ]}

上記の反応のマイナーな分岐では、太陽の中心部で0.04%の確率で発生し、上記の¹⁵ ₇ Nを含む最終反応では炭素12とアルファ粒子は生成されず、代わりに酸素16と光子が生成され、反応が継続します。

¹⁵ ₇ N →  ¹⁶ ₈ O →  ¹⁷ ₉ F →  ¹⁷ ₈ O →  ¹⁴ ₇ N →  ¹⁵ ₈ O →  ¹⁵ ₇ N

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主分岐に関与する炭素、窒素、酸素と同様に、副分岐で生成されるフッ素は単なる中間生成物であり、定常状態では恒星内部に蓄積されることはない。

この副次的分岐は、大質量星にのみ重要である。反応は、CNO-II の反応の 1 つで窒素 14 とアルファ粒子ではなくフッ素 18 と光子が生成されるときに開始され、

¹⁷ ₈ O→ ¹⁸ ₉ F→ ¹⁸ ₈ O→ ¹⁵ ₇ N→ ¹⁶ ₈ O→ ¹⁷ ₉ F→ ¹⁷ ₈ O

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CNO-IIIと同様に、この分岐も大質量星でのみ重要である。反応は、CNO-IIIの反応の1つが窒素15とアルファ粒子ではなくフッ素19と光子を生成したときに開始され、

¹⁸ ₈ O →  ¹⁹ ₉ F →  ¹⁶ ₈ O →  ¹⁷ ₉ F →  ¹⁷ ₈ O →  ¹⁸ ₉ F →  ¹⁸ ₈ O

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場合によっては、¹⁸ ₉ F がヘリウム原子核と結合して²¹ ₁₁ Naを形成し、ネオンナトリウムサイクルを開始することができます。そのサイクルでは、次のようになります。^{[ 20 ] [ 21 ]}

²¹ ₁₁ Na →  ²¹ ₁₀ Ne →  ²² ₁₁ Na →  ²² ₁₀ Ne →  ²³ ₁₁ Na →  ²⁰ ₁₀ Ne →  ²¹ ₁₁ Na

ナトリウム-23は陽子照射後にマグネシウム-24に変化し、マグネシウム-アルミニウムサイクルを開始する。^{[ 22 ]}

²⁴ ₁₂ Mg →  ²⁵ ₁₃ Al →  ²⁵ ₁₂ Mg →  ²⁶ ₁₃ Al →  ²⁶ ₁₂ Mg →  ²⁷ ₁₃ Al →  ²⁴ ₁₂ Mg

CNO-IサイクルとHCNO-Iサイクルの違いは、¹³ ₇ Nが崩壊する代わりにプロトンを捕捉し、全シーケンスにつながる点である。

¹² ₆ C→ ¹³ ₇ N→ ¹⁴ ₈ O→ ¹⁴ ₇ N→ ¹⁵ ₈ O→ ¹⁵ ₇ N→ ¹² ₆ C

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CNO-IIサイクルとHCNO-IIサイクルの顕著な違いは、¹⁷ ₉ Fが崩壊する代わりに陽子を捕獲し、¹⁸ ₉ Fでのその後の反応でネオンが生成され、一連の反応が完了することである。

¹⁵ ₇ N→ ¹⁶ ₈ O→ ¹⁷ ₉ F→ ¹⁸ ₁₀ Ne→ ¹⁸ ₉ F→ ¹⁵ ₈ O→ ¹⁵ ₇ N

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HCNO-IIサイクルの代替案としては、¹⁸ ₉ Fがより大きな質量に向かって移動する陽子を捕捉し、CNO-IVサイクルと同じヘリウム生成メカニズムを使用して

¹⁸ ₉ F→ ¹⁹ ₁₀ Ne→ ¹⁹ ₉ F→ ¹⁶ ₈ O→ ¹⁷ ₉ F→ ¹⁸ ₁₀ Ne→ ¹⁸ ₉ F

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