Proceso triple-alfa

El proceso triple alfa es el proceso por el cual tres núcleos de helio (partículas alfa) se transforman en un núcleo de carbono.

Esta reacción nuclear de fusión solo ocurre a velocidades apreciables a temperaturas por encima de 100 000 000 kelvin y en núcleos estelares con una gran abundancia de helio. Por tanto, este proceso solo es posible en las estrellas más viejas, donde el helio producido por las cadenas protón-protón y el ciclo CNO se ha acumulado en el núcleo. Cuando todo el hidrógeno presente se ha consumido, el núcleo se colapsa hasta que se alcanzan las temperaturas necesarias para iniciar la fusión de helio.

⁴He + ⁴He ↔ ⁸Be

⁸Be + ⁴He ↔ ¹²C + γ + 7,367 MeV

La energía neta liberada en el proceso es de 7,275 MeV

El ⁸Be producido durante la primera etapa es muy inestable y decae otra vez en dos núcleos de helio en 2,6·10^-16 segundos. De todas formas, en las condiciones en las que se fusiona el helio siempre hay pequeñas cantidades de ⁸Be presentes en equilibrio; la captura de otra partícula alfa da lugar al ¹²C. El proceso global de conversión de tres partículas alfa en un núcleo de ¹²C se denomina proceso triple alfa.

Ya que dicho proceso es improbable, debido a la escasa cantidad de ⁸Be presente en un momento dado, se necesita muchísimo tiempo para formar carbono. Como consecuencia no se produjo carbono durante el Big Bang, ya que la temperatura descendió a niveles inferiores a los requeridos para que se dé esta reacción.

Normalmente, la probabilidad de que se dé el proceso triple alfa debería ser extremadamente pequeña. Pero el nivel energético inferior del berilio-8 tiene exactamente la misma energía que dos partículas alfa, y en la segunda etapa, el ⁸Be y el ⁴He tienen exactamente la misma energía que el estado excitado del ¹²C. Estas resonancias incrementan sustancialmente las posibilidades de que una partícula alfa incidente se combine con un núcleo de berilio-8 para dar lugar a un núcleo de carbono. La existencia de esta resonancia fue predicha por Fred Hoyle antes de que se diera cuenta realmente de su necesidad para que se formara carbono.

Una reacción secundaria del proceso es la fusión de un núcleo de carbono-12 con otra partícula alfa para dar ¹⁶O estable, con liberación de energía en forma de fotón gamma:

¹²C + ⁴He → ¹⁶O + γ

La siguiente etapa donde el oxígeno formado se combina con otra partícula alfa para dar lugar a neón es más dificultosa, debido a las reglas de espín nuclear, y por tanto no pueden formarse elementos más pesados por esta vía.

Como resultado de estas reacciones, se forman grandes cantidades de carbono y oxígeno pero solo fracciones diminutas de estos se transforman en neón y otros núcleos más pesados; son por tanto estos dos las principales cenizas de la combustión del helio. Las resonancias nucleares que dan lugar a tales cantidades de carbono y oxígeno se citan generalmente como evidencia del principio antrópico.

Las reacciones de nucleosíntesis por fusión nuclear solo producen elementos hasta el ⁵⁶Fe, el núcleo atómico más estable; los elementos más pesados se producen por procesos captura neutrónica. La captura lenta, el proceso S, produce aproximadamente la mitad de dichos elementos. La otra mitad se produce en el proceso R o captura rápida, proceso que probablemente tenga lugar en el núcleo de las supernovas de colapso (tipo II).