हाइड्रोजन और हीलियम का दहन

अधिकांश तारों को शक्ति प्रदान करने वाली दो अभिक्रियाएँ हाइड्रोजन का हीलियम में संलयन और बाद में हीलियम का कार्बन में संलयन हैं; ये मिलकर एक तारे की अधिकांश ऊर्जा और पहले भारी तत्वों का उत्पादन करती हैं।

Definition

हाइड्रोजन दहन चार हाइड्रोजन नाभिकों का एक हीलियम नाभिक में संलयन है जो मुख्य-अनुक्रम तारों को शक्ति प्रदान करता है, और हीलियम दहन विकसित तारों में हीलियम नाभिकों का कार्बन और ऑक्सीजन में बाद का संलयन है।

Scope

यह विषय प्रोटॉन-प्रोटॉन श्रृंखला द्वारा हाइड्रोजन दहन को शामिल करता है जो कम द्रव्यमान वाले तारों में प्रमुख है और कार्बन-नाइट्रोजन-ऑक्सीजन चक्र जो अधिक विशाल तारों में प्रमुख है, इन अभिक्रियाओं की तापमान संवेदनशीलता, और ट्रिपल-अल्फा प्रक्रिया द्वारा हीलियम दहन के साथ-साथ ऑक्सीजन का उत्पादन करने वाले अल्फा कैप्चर को भी शामिल करता है।

Core questions

• तारे हाइड्रोजन को हीलियम में कैसे संलयित करते हैं?
• कुछ तारों में प्रोटॉन-प्रोटॉन श्रृंखला क्यों प्रमुख है और दूसरों में CNO चक्र क्यों?
• तीन हीलियम नाभिक कार्बन में कैसे संयोजित हो सकते हैं?
• हाइड्रोजन और हीलियम का दहन तापमान के प्रति इतना संवेदनशील क्यों है?

Key concepts

• प्रोटॉन-प्रोटॉन श्रृंखला
• CNO चक्र
• ट्रिपल-अल्फा प्रक्रिया
• हॉयल अवस्था
• क्वांटम टनलिंग
• गैमोव पीक
• अल्फा कैप्चर

Key theories

हाइड्रोजन दहन: प्रोटॉन-प्रोटॉन श्रृंखला और CNO चक्र

तारे हाइड्रोजन को हीलियम में या तो प्रोटॉन-प्रोटॉन श्रृंखला के माध्यम से परिवर्तित करते हैं, जिसमें प्रोटॉन सीधे चरणों में संलयित होते हैं, या CNO चक्र के माध्यम से, जिसमें कार्बन, नाइट्रोजन और ऑक्सीजन उत्प्रेरक के रूप में कार्य करते हैं; CNO चक्र कहीं अधिक तापमान-संवेदनशील है और गर्म, विशाल तारों में प्रमुख है।

ट्रिपल-अल्फा प्रक्रिया द्वारा हीलियम दहन

उच्च तापमान पर तीन हीलियम नाभिक एक अल्पकालिक बेरिलियम-8 मध्यवर्ती और कार्बन की एक अनुनादी उत्तेजित अवस्था के माध्यम से कार्बन-12 में संलयित होते हैं जिसकी भविष्यवाणी होयल ने की थी; आगे अल्फा कैप्चर ऑक्सीजन का उत्पादन करता है, जिससे ब्रह्मांड में कार्बन-से-ऑक्सीजन अनुपात निर्धारित होता है।

Mechanisms

आवेशित नाभिक एक-दूसरे को इलेक्ट्रोस्टैटिक रूप से प्रतिकर्षित करते हैं, इसलिए संलयन केवल तारकीय कोर के उच्च तापमान पर क्वांटम टनलिंग द्वारा आगे बढ़ता है, जिससे अभिक्रिया दरें तापमान पर अत्यधिक निर्भर करती हैं। हाइड्रोजन दहन धीरे-धीरे एक हीलियम कोर का निर्माण करता है; एक बार जब वह कोर लगभग एक सौ मिलियन केल्विन तक पहुँच जाता है, तो ट्रिपल-अल्फा अभिक्रिया हीलियम को कार्बन और ऑक्सीजन में प्रज्वलित करती है।

Clinical relevance

ये अभिक्रियाएँ मुख्य-अनुक्रम और विशाल तारों के ऊर्जा उत्पादन, संरचना और जीवनकाल को निर्धारित करती हैं, पृथ्वी को गर्म करने वाली सौर चमक को स्थिर करती हैं, और हीलियम, कार्बन और ऑक्सीजन का उत्पादन करती हैं जो शेष ब्रह्मांडीय रसायन विज्ञान को बीज करती हैं; सौर प्रोटॉन-प्रोटॉन श्रृंखला तारकीय मॉडल का परीक्षण करने के लिए उपयोग किए जाने वाले न्यूट्रिनो का स्रोत भी है।

History

बेथे और वॉन वीज़सैकर ने 1930 के दशक के अंत में प्रोटॉन-प्रोटॉन श्रृंखला और CNO चक्र का पता लगाया, हाइड्रोजन दहन को तारकीय ऊर्जा स्रोत के रूप में पहचाना, और 1950 के दशक में सालपीटर और होयल ने ट्रिपल-अल्फा प्रक्रिया स्थापित की, जिसमें होयल ने कार्बन अनुनाद की भविष्यवाणी की जिसकी बाद में प्रयोगशाला में पुष्टि हुई।

Key figures

• Hans Bethe
• Carl Friedrich von Weizsacker
• Fred Hoyle
• Edwin Salpeter

Seminal works

• bethe1939
• clayton1983

Frequently asked questions

सूर्य एक साथ अपनी सारी हाइड्रोजन को संलयित क्यों नहीं करता?

संलयन दर तापमान पर तेज़ी से निर्भर करती है और स्व-नियामक होती है: यदि कोर गर्म होता, तो यह फैलता और ठंडा होता, जिससे संलयन धीमा हो जाता, इसलिए सूर्य अपनी हाइड्रोजन को अरबों वर्षों तक लगातार जलाता है बजाय इसके कि वह अनियंत्रित हो जाए।

हॉयल अवस्था क्या है?

यह कार्बन-12 नाभिक का एक विशिष्ट उत्तेजित ऊर्जा स्तर है जिसके अस्तित्व की फ्रेड हॉयल ने भविष्यवाणी की थी क्योंकि ट्रिपल-अल्फा प्रक्रिया अन्यथा पर्याप्त कार्बन का उत्पादन नहीं कर सकती थी; इसकी बाद की प्रायोगिक खोज ने पुष्टि की कि हीलियम दहन तारों में कार्बन का निर्माण कैसे करता है।