Processo triplo-alfa

O processo triplo alfa é o processo pelo qual três núcleos de hélio (partículas alfa) se transformam em um núcleo de carbono.^[1][2]

Esta reação nuclear de fusão só ocorre a velocidades elevadas a temperaturas acima de 100 milhões de kelvin e em núcleos estelares com uma grande abundância de hélio. Portanto, este processo só é possível nas estrelas mais velhas, onde o hélio produzido pela cadeia próton-próton e pelo ciclo CNO se tenha acumulado no núcleo. Quando todo o hidrogênio presente se tenha consumido, o núcleo se colapsa até que se alcançam as temperaturas necessárias para iniciar a fusão do hélio:

⁴He + ⁴He ↔ ⁸Be

⁸Be + ⁴He ↔ ¹²C + γ + 7.367 MeV

A energia líquida liberada no processo é de 7.275 MeV.

O ⁸Be produzido durante a primeira etapa é muito instável e decai outra vez em dois núcleos de hélio em 2.6·10⁻¹⁶ segundos. De todas as formas, nas condições nas que se fusiona o hélio sempre há pequenas quantidades de ⁸Be presentes em equilíbrio; a captura de outro átomo de hélio dá lugar ao ¹²C. O processo global de conversão de três partículas alfa em um núcleo de ¹²C se denomina processo triplo alfa.

Já que o dito processo é improvável, devido à escassa quantidade de ⁸Be presente em um momento dado, se necessita de um longo tempo para formar carbono. Como consequência não se produziu carbono durante o Big Bang, já que a temperatura diminuiu a níveis inferiores aos requeridos para que se dê esta reação.

Normalmente, a probabilidade de que se dê o processo triplo alfa deveria ser extremadamente pequena. Mas o nível energético inferior do berílio-8 tem exatamente a mesma energia que duas partículas alfa, e na segunda etapa, o ⁸Be e o ⁴He tem exatamente a mesma energia que o estado excitado do ¹²C. Estas ressonâncias incrementam substancialmente as possibilidades de que uma partícula alfa incidente se combine com um núcleo de berílio-8 para dar lugar a um núcleo de carbono. A existência desta ressonância foi prevista por Fred Hoyle antes de que se desse conta realmente de sua necessidade para que se forme carbono.

Uma reação secundária do processo é a fusão de um núcleo de carbono-12 com outra partícula alfa para dar ¹⁶O estável, com liberação de energia em forma de radiação gama:

¹²C + ⁴He → ¹⁶O + γ

A seguinte etapa onde o oxigênio formado se combina com outra partícula alfa para dar lugar ao neônio é mais difícil, devido às regras de spin nuclear, e portanto não podem formar-se elementos mais pesados por esta via.

Como resultado destas reações, se formam grandes quantidades de carbono e oxigênio mas só frações diminutas destes se transformam em neônio e outros núcleos mais pesados, sendo portanto estes dois os principais produtos da fusão do hélio. As ressonâncias nucleares que dão lugar a tais quantidades de carbono e oxigênio se citam geralmente como evidência do princípio antrópico.

As reações de nucleossíntese por fusão nuclear só produzem elementos até o ⁵⁶Fe, o núcleo atômico mais estável; os elementos mais pesados se produzem por processos captura neutrônica. A captura lenta, o processo S, produz aproximadamente a metade destes elementos. A outra metade se produz no processo R ou captura rápida, processo que provavelmente tenha lugar no núcleo das supernovas de colapso (tipo II).