عملية ألفا

عملية ألفا ، والمعروفة أيضًا باسم التقاط ألفا أو سلم ألفا ، هي إحدى فئتين من تفاعلات الاندماج النووي التي تحول بها النجوم الهيليوم إلى عناصر أثقل . أما الفئة الأخرى فهي دورة من التفاعلات تُسمى عملية ألفا الثلاثية ، والتي تستهلك الهيليوم فقط، وتنتج الكربون . ^{[ 1 ]} تحدث عملية ألفا بشكل شائع في النجوم الضخمة وأثناء المستعرات العظمى .

يسبق كلتا العمليتين اندماج الهيدروجين ، الذي ينتج الهيليوم الذي يغذي كلاً من عملية ألفا الثلاثية وعمليات سلم ألفا. بعد أن تنتج عملية ألفا الثلاثية كمية كافية من الكربون، تبدأ عملية سلم ألفا، وتحدث تفاعلات اندماج لعناصر أثقل فأثقل، بالترتيب المذكور أدناه. تستهلك كل خطوة ناتج التفاعل السابق والهيليوم فقط. تبدأ تفاعلات المراحل اللاحقة، التي يمكن أن تبدأ في أي نجم معين، بينما لا تزال تفاعلات المراحل السابقة جارية في الطبقات الخارجية للنجم.

${\displaystyle {\begin{array}{ll}{\ce {~{}_{6}^{12}C\ ~~+{}_{2}^{4}He\ ->~{}_{8}^{16}O\ \ ~+\gamma ~,}}&E={\mathsf {7.16\ MeV}}\\{\ce {~{}_{8}^{16}O\ ~~+{}_{2}^{4}He\ ->{}_{10}^{20}Ne\ \ +\gamma ~,}}&E={\mathsf {4.73\ MeV}}\\{\ce {{}_{10}^{20}Ne\ ~+{}_{2}^{4}He\ ->{}_{12}^{24}Mg\ +\gamma ~,}}&E={\mathsf {9.32\ MeV}}\\{\ce {{}_{12}^{24}Mg\ +{}_{2}^{4}He\ ->{}_{14}^{28}Si\ ~~+\gamma ~,}}&E={\mathsf {9.98\ MeV}}\\{\ce {{}_{14}^{28}Si\ ~~+{}_{2}^{4}He\ ->{}_{16}^{32}S\ \ ~~~+\gamma ~,}}&E={\mathsf {6.95\ MeV}}\\{\ce {{}_{16}^{32}S\ ~~~+{}_{2}^{4}He\ ->{}_{18}^{36}Ar\ ~\ +\gamma ~,}}&E={\mathsf {6.64\ MeV}}\\{\ce {{}_{18}^{36}Ar\ ~+{}_{2}^{4}He\ ->{}_{20}^{40}Ca\ \ +\gamma ~,}}&E={\mathsf {7.04\ MeV}}\\{\ce {{}_{20}^{40}Ca\ +{}_{2}^{4}He\ ->{}_{22}^{44}Ti\ ~~+\gamma ~,}}&E={\mathsf {5.13\ MeV}}\\{\ce {{}_{22}^{44}Ti\ ~+{}_{2}^{4}He\ ->{}_{24}^{48}Cr\ ~+\gamma ~,}}&E={\mathsf {7.70\ MeV}}\\{\ce {{}_{24}^{48}Cr\ +{}_{2}^{4}He\ ->{}_{26}^{52}Fe\ ~\ +\gamma ~,}}&E={\mathsf {7.94\ MeV}}\\{\ce {{}_{26}^{52}Fe\ +{}_{2}^{4}He\ ->{}_{28}^{56}Ni\ ~\ +\gamma ~,}}&E={\mathsf {8.00\ MeV}}\end{array}}}$

الطاقة الناتجة عن كل تفاعل، E ، تكون بشكل رئيسي على شكل أشعة جاما ( γ )، مع كمية صغيرة يأخذها عنصر الناتج الثانوي ، كزخم إضافي .

من المفاهيم الخاطئة الشائعة أن التسلسل المذكور أعلاه ينتهي عند${\displaystyle \,{}_{28}^{56}\mathrm {Ni} \,}$(أو${\displaystyle \,{}_{26}^{56}\mathrm {Fe} \,}$، وهو ناتج تحلل${\displaystyle \,{}_{28}^{56}\mathrm {Ni} \,}$^{[ 2 ]} ) لأنه أكثرالنوى- أي النوى ذات أعلىطاقة ربط نوويةلكلنيوكليون- وإنتاج النوى الأثقل سيستهلك الطاقة (سيكونماصًا للحرارة) بدلاً من إطلاقها (طاردًا للحرارة).${\displaystyle \,{}_{28}^{62}\mathrm {Ni} \,}$( النيكل-62 ) هو في الواقع أكثر النظائر ارتباطًا من حيث طاقة الربط ^{[ 3 ]} (على الرغم من${\displaystyle {}^{56}{\textrm {Fe}}}$(يمتلك طاقة أو كتلة أقل لكل نيوكليون). التفاعل${\displaystyle {}^{56}{\textrm {Fe}}+{}^{4}{\textrm {He}}\rightarrow {}^{60}{\textrm {Ni}}}$في الواقع، هي عملية طاردة للحرارة، وتستمر إضافة ألفا في كونها عملية طاردة للحرارة حتى النهاية.${\displaystyle \ {}_{50}^{100}\mathrm {Sn} \ }$[ ^{4 ] ولكن مع ذلك ،} ينتهي التسلسل فعليًا عند الحديد. يتوقف التسلسل قبل إنتاج عناصر أثقل من النيكل لأن الظروف في باطن النجوم تجعل التنافس بين التفكك الضوئي وعملية ألفا يميل لصالح التفكك الضوئي حول الحديد . ^{[ 2 ] [ 5 ]} وهذا يؤدي إلى المزيد${\displaystyle \,{}_{28}^{56}\mathrm {Ni} \,}$يتم إنتاجه أكثر من${\displaystyle \,{}_{28}^{62}\mathrm {Ni} ~.}$

تتميز جميع هذه التفاعلات بمعدل منخفض للغاية عند درجات الحرارة والكثافات الموجودة في النجوم، وبالتالي لا تُساهم بشكل كبير في إجمالي طاقة النجم. وتحدث هذه التفاعلات بشكل أقل سهولة مع العناصر الأثقل من النيون ( Z > 10 ) بسبب ازدياد حاجز كولوم .

تُسمى عناصر عملية ألفا (أو عناصر ألفا ) بهذا الاسم لأن نظائرها الأكثر وفرة هي مضاعفات صحيحة للعدد أربعة - كتلة نواة الهيليوم ( جسيم ألفا ). وتُسمى هذه النظائر بالنويدات ألفا .

• العناصر ألفا المستقرة هي : C و O و Ne و Mg و Si و S.
• يُعتبر عنصرا الأرجون والكالسيوم " مستقرين من الناحية الرصدية " . ويتم تصنيعهما عن طريق التقاط جسيمات ألفا قبل مرحلة اندماج السيليكون ، والتي تؤدي إلى المستعرات العظمى من النوع الثاني .
• السيليكون والكالسيوم هما عنصران ناتجان عن عملية ألفا فقط .
• يمكن استهلاك المغنيسيوم بشكل منفصل عن طريق تفاعلات التقاط البروتون .

يُعدّ وضع الأكسجين ( O ) موضع جدل، إذ يعتبره بعض الباحثين ^{[ 6 ]} عنصرًا ألفا، بينما لا يعتبره آخرون كذلك. من المؤكد أن الأكسجين عنصر ألفا في نجوم المجموعة الثانية منخفضة المعدنية : فهو يُنتَج في المستعرات العظمى من النوع الثاني ، ويرتبط ارتفاع تركيزه ارتباطًا وثيقًا بارتفاع تركيز عناصر أخرى ناتجة عن عملية ألفا.

يُعتبر الكربون والنيتروجين أحيانًا من عناصر عملية ألفا ، إذ يُصنّعان ، مثل الأكسجين ، في تفاعلات التقاط ألفا النووية، لكن تصنيفهما غير واضح: فكل عنصر من العناصر الثلاثة يُنتج (ويُستهلك) في دورة الكربون-نيتروجين-أكسجين ، التي قد تحدث عند درجات حرارة أقل بكثير من تلك التي تبدأ عندها عمليات سلم ألفا بإنتاج كميات كبيرة من عناصر ألفا (بما في ذلك الكربون والنيتروجين والأكسجين ) . لذا ، فإن وجود الكربون أو النيتروجين أو الأكسجين في نجم ما لا يُشير بالضرورة إلى أن عملية ألفا جارية بالفعل، ومن هنا تردد بعض علماء الفلك في وصف هذه العناصر الثلاثة (دون قيد أو شرط) بأنها "عناصر ألفا".

تحدث عملية ألفا بكميات كبيرة فقط إذا كان النجم ضخمًا بما يكفي - أي أكبر من حوالي 10 أضعاف كتلة الشمس . ^{[ 7 ]} تنكمش هذه النجوم مع تقدمها في العمر، مما يزيد من درجة حرارة النواة وكثافتها إلى مستويات عالية بما يكفي لتمكين عملية ألفا. تزداد المتطلبات مع الكتلة الذرية، خاصة في المراحل اللاحقة - والتي يشار إليها أحيانًا باسم احتراق السيليكون - وبالتالي تحدث غالبًا في المستعرات العظمى . ^{[ 8 ]} تُركّب المستعرات العظمى من النوع الثاني بشكل أساسي الأكسجين وعناصر ألفا ( النيون ، والمغنيسيوم ، والسيليكون، والكبريت ، والأرجون ، والكالسيوم ، والتيتانيوم ) ، بينما تُنتج المستعرات العظمى من النوع الأول بشكل أساسي عناصر ذروة الحديد ( التيتانيوم ، والفاناديوم ، والكروم، والمنغنيز ، والحديد ، والكوبالت ، والنيكل ) . ^{[ 7 ]} يمكن للنجوم الضخمة بما يكفي أن تُركّب عناصر تصل إلى ذروة الحديد ، بما في ذلك الحديد ، من الهيدروجين والهيليوم اللذين يُكوّنان النجم في البداية. ^{[ 6 ]}

عادةً، تتبع المرحلة الأولى من عملية ألفا (أو التقاط ألفا) مرحلة احتراق الهيليوم في النجم بمجرد استنفاد الهيليوم؛ عند هذه النقطة، حر${\displaystyle {}_{6}^{12}{\textrm {C}}}$التقاط الهيليوم لإنتاج${\displaystyle {}_{8}^{16}{\textrm {O}}}$[ ^{9 ]} تستمر هذه العملية بعد انتهاء النواة من مرحلة احتراق الهيليوم، حيث يستمر الغلاف المحيط بالنواة في احتراق الهيليوم ^ونقله إلى داخل النواة. ^{[ 7 ]} تبدأ المرحلة الثانية ( احتراق النيون ) عندما يتحرر الهيليوم نتيجة التفكك الضوئي لأحد${\displaystyle {}_{10}^{20}{\textrm {Ne}}}$ذرة، مما يسمح لذرة أخرى بمواصلة الصعود على سلم ألفا. ثم يبدأ احتراق السيليكون لاحقًا من خلال التفكك الضوئي لـ${\displaystyle {}_{14}^{28}{\textrm {Si}}}$وبطريقة مماثلة؛ بعد هذه النقطة،${\displaystyle \,{}_{28}^{56}\mathrm {Ni} \,}$يتم بلوغ الذروة التي نوقشت سابقاً. توفر موجة الصدمة الناتجة عن انهيار النجم، والتي تُعرف باسم المستعر الأعظم، ظروفاً مثالية لحدوث هذه العمليات لفترة وجيزة.

خلال هذه المرحلة النهائية من التسخين التي تتضمن التفكك الضوئي وإعادة الترتيب، تتحول الجسيمات النووية إلى أشكالها الأكثر استقرارًا أثناء المستعر الأعظم وما يتبعه من قذف، جزئيًا من خلال عمليات ألفا. بدءًا من${\displaystyle {}_{22}^{44}{\textrm {Ti}}}$وما فوق ذلك، فإن جميع عناصر المنتج مشعة، وبالتالي ستتحلل إلى نظير أكثر استقرارًا؛ على سبيل المثال،${\displaystyle \,{}_{28}^{56}\mathrm {Ni} \,}$يتشكل ويتحلل إلى${\displaystyle {}_{26}^{56}{\textrm {Fe}}}$[ ^{9 ]​}

عادة ما يتم التعبير عن وفرة عناصر ألفا الكلية في النجوم بدلالة اللوغاريتمات ، حيث يستخدم علماء الفلك عادة تدوين الأقواس المربعة:

${\displaystyle \left[{\frac {\alpha }{\,{\ce {Fe}}\,}}\right]~\equiv ~\log _{10}{\left(\,{\frac {N_{\mathrm {E} \alpha }}{\,N_{{\ce {Fe}}}\,}}\,\right)_{\mathsf {Star}}}-\log _{10}{\left({\frac {N_{\mathrm {E} \alpha }}{\,N_{{\ce {Fe}}}\,}}\,\right)_{\mathsf {Sun}}}~,}$

أين${\displaystyle \,N_{\mathrm {E} \alpha }\,}$يمثل عدد عناصر ألفا لكل وحدة حجم، و${\displaystyle \,N_{{\ce {Fe}}}\,}$يمثل عدد نوى الحديد لكل وحدة حجم. وهو يُستخدم لغرض حساب العدد${\displaystyle \,N_{\mathrm {E} \alpha }\,}$يُصبح تحديد العناصر التي تُعتبر "عناصر ألفا" موضع جدل. تتنبأ نماذج التطور المجري النظرية بأنه في بدايات الكون، كان عدد عناصر ألفا أكبر من عدد الحديد.

• مخطط [α/Fe] مقابل [Fe/H]
• نجوم معززة بألفا ذات أعمار شاذة

• مندل، ج. تريفور؛ بروكتر، روبرت ن.؛ فوربس، دنكان أ. (21 أغسطس 2007) [31 مايو 2007]. "عمر، ومعدنية، ووفرة عناصر ألفا في العناقيد الكروية المجرية، من نماذج التجمعات النجمية المفردة" . الإشعارات الشهرية للجمعية الفلكية الملكية . 379 (4) (نُشر في 26 يوليو 2007): 1618-1636 . arXiv : 0705.4511v2 . doi : 10.1111/j.1365-2966.2007.12041.x .