Nukleosynthese II - Fusion und Spallation

 

In einer der letzten Ausgaben des Zirkulars haben wir die Entstehung der chemischen Elemente in der Folgezeit des Urknalls skizziert. In den Vorgängen, die damals stattfindenen, wurden die leichtesten Elemente unseres Universums erzeugt (primordiale Nukleosynthese). Diese Prozesse brachen jedoch schon nach wenigen Schritten ab - bereits Elemente schwerer als Helium wurden nur in extrem geringen Raten produziert.

Nun gibt es im Universum Anteile an schwereren Elementen wie Kohlenstoff, Silizium oder Eisen. Bekanntermaßen werden viele dieser Nuklide im Inneren von Sternen durch Fusionsprozesse erzeugt. Es existieren verschiedenartigste Fusionsprozesse, von denen das Wasserstoffbrennen der bekannteste ist.

Beim einfachen Wasserstoffbrennen werden nacheinander vier Protonen (p) zu einem Heliumkern (He-4) verschmolzen. Man darf sich jedoch das Wasserstoffbrennen genauso wie die anderen Reaktionen nicht als "lineare Reaktionskette" vorstellen, sondern eher als (weit-)verzweigtes Reaktionsschema, wie in der Abbildung dargestellt. Dieser Umstand schließt jedoch nicht aus, daß eine Reaktion die anderen dominieren kann.

Über die Wahrscheinlichkeit, welcher der möglichen Reaktionskanäle tatsächlich eingeschlagen wird, entscheidet der Wirkungsquerschnit einer Reaktion. Einige Reaktionen bieten energetisch günstigere "Konfigurationen" im Endprodukt als andere. Für den Wirkungsquerschnitt sind viele Faktoren verantwortlich: Schalenstrukturen der Ausgangs- und Endkerne (Atomkerne besitzen genauso wie Atomhüllen Schalen. Wenn der Endkern abgeschlossene Schalen vorweisen kann, so hat die Reaktion, die zu ihm führt, einen besonders hohen Wirkungsquerschnitt.) oder auch andere Wechselwirkungsfaktoren.

Was ist damit genau gemeint? Hier zwei Beispiele.

1.: Helium-4 (He-4) besitzt zwei Protonen und zwei Neutronen. Für beide Nukleonenarten ist damit eine Schale abgeschlossen - He-4 hat eine energetisch besonders günstige Konfiguration und ist daher besonders stabil. Dies gilt auch für Sauerstoff-16 (O-16) mit seinen acht Protonen und acht Neutronen. Die Reaktionen 2 He-3 -> He-4 + 2 p und C-12 + He-4 -> O-16 liefern somit energetisch günstige Endkerne, was einen hohen Wirkungsquerschnitt zur Folge hat.

2.: Um Schweren Wasserstoff (Deuterium) aus zwei Protonen zu erzeugen, muß beim Zusammenprall eines der Protonen in ein Neutron umgewandelt werden. Dies kann nur durch die schwache Wechselwirkung vor sich gehen, was den Wirkungsquerschnitt um 20 Größenordnungen herabsetzen kann. Deshalb gilt dieser Schritt wegen der extremen Zeit, die er beansprucht, als Flaschenhals der Reaktion.

Typischerweise werden nacheinander verschiedene Fusionsreaktionen von leichteren zu den schwereren Nukliden durchlaufen:

- Wasserstoffbrennen
- Heliumbrennen: 3 He-4 -> C-12
- Kohlenstoffbrennen: 2 C-12 -> Ne-20 + He-4 oder Na-23 + p oder Mg-23 + n
- Neonbrennen: C-12 + Ne-20 -> ... (mehrere Möglichkeiten für Folgekerne)
- Sauerstoffbrennen: C-12 + O-16 -> ... oder 2 O-16 -> ...
- Siliziumbrennen: zahlreiche Reaktionen ab Si-28 mit He-4, p und n
(Na: Natrium, Mg: Magnesium, C: Kohlenstoff, O: Sauerstoff, Si: Silizium, Ne: Neon, p: Proton, n: Neutron)

Bei älteren Sternen können auch mehrere Reaktionen zeitgleich, in Schalen getrennt, ablaufen (Schalenbrennen). Die Brenndauer nimmt mit zunehmender Massezahl der resultierenden Kerne ab. Während das Wasserstoffbrennen je nach Sternmasse einige zehn Mio. Jahre bis zu Mrd. Jahre betragen kann, dauert das Siliziumbrennen, welches ohnehin nur noch in den massereichsten Sternen stattfinden kann, nur noch einen Tag!

Die Synthese von Eisen ist der letzte Vorgang. Alle Reaktionen mit schwereren Ausgangskernen verbrauchen mehr Energie als sie freisetzen, weshalb sie nicht im großen Stil stattfinden. Ohne Nettoenergieertrag können keine Fusionsreaktionen stattfinden, da beim Stoß die elektrostatische Abstoßung der positiv geladenen Kerne (Coulomb-Barriere) nicht mehr überwunden werden kann.

Warum schließt sich dem Heliumbrennen das Kohlenstoffbrennen an und nicht irgendein anderer Prozeß? Das liegt daran, daß für diese Fusionsreaktion die zu überwindende Coulomb-Barriere am niedrigsten ist und sie daher als erstes einsetzt. Bei den nachfolgenden Stufen kann analog argumentiert werden.

Es gibt auch noch weitere Prozesse im Universum, bei denen Elemente erzeugt werden:

- Interstellare Nukleosynthese

Die kosmische Strahlung besteht aus vollständig ionisierten Kernen, die sich mit hoher Geschwindigkeit durch das Weltall bewegen. Treffen diese auf Kerne des interstellaren Mediums, so kann es zu Spallationsreaktionen (Absplitterung) kommen. Hierbei werden leichtere Elemente erzeugt, indem einzelner Nukleonen oder andere leichte Kerne herausgeschlagen werden. Z.B. kann ein Proton (Wasserstoffkern) der kosmischen Strahlung, welches auf einen Kohlenstoff-12-Kern trifft, u.a. folgende Reaktionen auslösen:

p + C-12 -> B-11 + 2 p
p + C-12 -> Li-7 + 4 p + 2 n
p + C-12 -> Be-9 + 3 p + n
und viele mehr.
(B: Bor, Li: Lithium, Be: Beryllium, p: Proton, n: Neutron)

Es treten noch vielfältige weitere Reaktionen auf. Man geht davon aus, dass der Großteil der Elemente Lithium, Beryllium und Bor durch die interstellare Nukleosynthese erzeugt wurde - und immer noch wird.

- Stellare Spallation

Durch die Vielfältigkeit der Fusionsprozesse wird bereits ein breites Spektrum an Nukliden erzeugt. Allerdings hinterlassen sie vor allem bei den mittelschweren Nukliden noch Lücken, d.h. es gibt Nuklide, die nicht als Ergebnis einer dieser Reaktion auftauchen. Da diese Nuklide in der Natur dennoch vorkommen, müssen sie auf einem anderen Wege gebildet worden sein. Hier kommen wieder Spallationsprozesse ins Spiel, nur das diese nun im Sterninneren stattfinden.

Es gibt qualitative Unterschiede zwischen der stellaren und der interstellaren Spallation: Wirkungsquerschnitte können temperaturabhängig sein, was Einfluß auf die Reaktionsverläufe nimmt; im Sterninneren herrschen bekanntlich ungleich höhere Temperaturen als im interstellaren Medium; daher sehen die Reaktionskanäle teilweise anders aus. Zum Beispiel wird im Stern über die Reaktion Li-7 + p -> 2 He-4 das Lithium mit der Massenzahl 7 extrem rasch abgebaut (He-4: abgeschlossen Schale), was im interstellaren Medium nur vermindert geschieht. Dieser Umstand rechtfertig die Auffassung, daß das Element Lithium interstellar erzeugt wurde.

Literatur:

Liddell: Einführung in die Kosmologie
Oberhummer: Kerne und Sterne