réactions quantiques au coeur du Soleil

[Zefram Cochrane]

Bonjour,

Au coeur du Soleil, la réaction de fusion s'écrit :

4H -> He + (2v + 2p) + E
v étant un neutrino électronique, p un positron.

Je n'arrive pas à me faire à l'idée que cette formule soit correcte car on peut la décomposer comme suit :
4H = 4P -> 2P + 2N + (2v + 2p) -> He + (2v + 2p) + E

Or, la transmutation d'un proton en un neutron :
P -> N + v + p
se produit dans le coeur des pulsars, c'est-à-dire dans des conditions extrêmes qui sont loins d'être réunies dans le coeur du Soleil.

C'est pourquoi j'ai supposé qu'à partir d'une certaine densité (l'hydrogène métallique) les protons captent les neutrinos ambiants suivant la réaction :

P + v -> N + p

d'où mes questions :
j'aimerai connaître votre avis sur ce raisonnement, et quelles seraient selon vous les sources de neutrinos?
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[Calvert]

Au coeur du Soleil, la réaction de fusion s'écrit :

4H -> He + (2v + 2p) + E
v étant un neutrino électronique, p un positron.

Oui. Pour être précis, cette réaction est en fait un cycle de réactions, qui s'appelle techniquement "chaînes pp" (pour proton-proton).
On a :

p + p --> d + e+ + v

avec d le deuterium, e+ un positron et v un neutrino électronique. La transmutation du proton en neutron dans ce cas est assez "banale" (pas besoin de conditions extrêmes, il s'agit simplement de la désintégration beta, qui a lieu naturellement pour certains isotopes instables). Cependant, cette réaction est de loin la plus lente du cycle (justement à cause de l'action de l'interaction faible).

Ensuite :
d + p --> 3He (et un photon)
Cette réaction est extrêmement rapide.

finalement :
3He + 3He --> 4He + 2p

Il existe deux autres "branchements" produisant du Li et du Be.

Or, la transmutation d'un proton en un neutron :
P -> N + v + p
se produit dans le coeur des pulsars, c'est-à-dire dans des conditions extrêmes qui sont loins d'être réunies dans le coeur du Soleil.

C'est là qu'est l'erreur. Bien que plus lente à cause de l'interaction faible, cette transformation est possible. Elle a d'ailleurs même lieu sur Terre tous les jours, par exemple, lors de la désintégration du carbone 14 en azote.

C'est pourquoi j'ai supposé qu'à partir d'une certaine densité (l'hydrogène métallique) les protons captent les neutrinos ambiants suivant la réaction :

P + v -> N + p

Non.
A noter en plus que l'hydrogène au coeur du Soleil n'est pas métallique.

[Zefram Cochrane]

bonjour Calvert et merci pour ta réponse.

J'ai quelques questions à propos:
sur la notion de vitesse de réaction tout d'abord,
Je croyais que l'interaction forte concernait les réactions nucléaires
tandis que l'interaction faible concernait les réactions quantiques; mais j'ai bien l'impression que la forte empiète dans les deux 'types' de réaction.

dans la chaîne P-P
je retrouve le même problème que pour 4H ->He + e+ + ve + E
P + P -> P + N + e+ + ve -> P-N + e+ +ve + E = D + e+ + ve

je suppose que la lenteur de la réaction due à l'interaction faible trouve son origine dans la transmutation d'un proton en neutron

interaction faible absente dans la réaction D + P -> He3 qui est une réaction purement nucléaire.

Je voudrais savoir aussi pourquoi la réaction

ve + P -> N + e+

est fausse?

cordialement,

[Amanuensis]

Je voudrais savoir aussi pourquoi la réaction

ve + P -> N + e+

est fausse?

Faut un anti-neutrino, pas un neutrino.

[A voir en vidéo sur Futura]

[Calvert]

Je croyais que l'interaction forte concernait les réactions nucléaires
tandis que l'interaction faible concernait les réactions quantiques; mais j'ai bien l'impression que la forte empiète dans les deux 'types' de réaction.

L'interaction faible concerne plusieurs type de réactions. Notamment celles mettant en jeu des neutrinos (et donc, les désintégration beta + et -).

Elle permet ainsi de transformer un proton en neutron.

ve + P -> N + e+

Même avec l'anti-neutrino, je ne sais pas quelle est la probabilité de cette réaction. De plus, il faudrait une source d'anti-neutrino.

[Zefram Cochrane]

Bonjour,

D'après la réaction de transmutation du neutron en proton:
N -> P + e- + v- ou v- est un antineutrino,
on peut supposer que les naines blanches et les pulsars sont des sources dantineutrinos.
on baigne dedans pour ainsi dire, et heureusement que la probabilité de la réaction est faible car si c'était l'inverse, il n'y aurait que peu de protons non?

Quand je parlais type de réaction, je pensais uniquement à réaction nucléaire et réaction quantique. Peut être ne suis-je pas assez clair dans ma question?

[Amanuensis]

Quand je parlais type de réaction, je pensais uniquement à réaction nucléaire et réaction quantique. Peut être ne suis-je pas assez clair dans ma question?

En parlant que pour moi, la notion de "réaction quantique" n'est pas claire du tout. Jamais rencontré ça dans mes lectures de référence.

[Calvert]

Pourquoi vouloir à tout prix trouver une réaction qui est, au mieux, marginale, et au pire, inexistante ? Le (anti)neutrino a une section efficace tellement ridicule, qu'il n'interagit presque pas, même dans le Soleil (la preuve étant que les neutrinos produits dans le Soleil en sortent instantanément et sont détectés sur Terre).

La désintégration beta est très bien comprise, et s'applique dans ce cas.

En parlant que pour moi, la notion de "réaction quantique" n'est pas claire du tout. Jamais rencontré ça dans mes lectures de référence.

Itou.

[Deedee81]

Salut,

heureusement que la probabilité de la réaction est faible car si c'était l'inverse, il n'y aurait que peu de protons non?

En effet, mais la probabilité de réaction dépend énormément de l'environnement. Et c'est logique puisque toute réaction de ce type est réversible. Elle se produit généralement dans un sens donné car les produits de la désintégration vont s'échapper, mais encore faut-il justement qu'ils s'échappent.

Un neutron libre se désintègre en environ 20 min. A ce train là il ne devrait plus exister un seul neutron dans l'univers.

Heureusement, dans un noyau il est généralement stable.

Dans un environnement tel que le coeur du soleil, je suppose qu'on a une situation intermédiaire (et très difficile à calculer) avec un mélange très complexes de particules se heurtant dans tous les sens.

[Zefram Cochrane]

J'appelle (certainement à tord) réaction quantique une réaction qui touche la structure des nucléons; par exemple les trois réactions qui ont été abordées :
N -> P + e- + v-
P -> N + e+ + v+
v- + P -> N + e+

et réactions nucléaire celles qui ne concernent que l'arrangement des nucléons dans un noyau; exemple :
D + H -> He3

Souvant les réactions de désintégration font apparaître les deux réactions comme c'est le cas pour la chaine P-P.

Dans une naine blanche, les noyaux de fer sont dichotomisés en neutron et protons.
comme le dit Deedee, les neutrons se transmutent en proton, la naine blanche se transformant en étoile à protons.
cependant, vu les conditions qui y regnent,
la désintégration B+ de la chaîne P-P devrait pouvoir s'y produire et relancer le processus de réactions nucléaires?
les étoiles ne devraient elles pas avoir plusieurs cycles de fusion avant d''atteindre une densité qui ne lui permettent plus de devenir une naine blanche?

[Calvert]

Dans une naine blanche, les noyaux de fer sont dichotomisés en neutron et protons.

Non. Une naine blanche est composée principalement d'hélium, d'oxygène et de carbone. Elle est soutenue par la pression de dégénérescence des électrons libres.

Tu veux sans doute parler des étoiles à neutrons. Dans ce cas, la gravitation est trop forte pour la pression électronique, et les électrons sont absorbés par les protons pour faire des neutrons (pour simplifier le problème).

comme le dit Deedee, les neutrons se transmutent en proton, la naine blanche se transformant en étoile à protons.

Non. Deedee voulait parler d'un neutron ISOLE. Dans une étoile à neutrons, ce n'est vraiment pas le cas !

la désintégration B+ de la chaîne P-P devrait pouvoir s'y produire et relancer le processus de réactions nucléaires?

Du coup, non.

[Deedee81]

Non. Deedee voulait parler d'un neutron ISOLE. Dans une étoile à neutrons, ce n'est vraiment pas le cas !

Je confirme. J'ai bien dit neutron libre.

Par opposition à un neutron lié dans un noyau ou en interaction continuelle avec d'autres particules dans une étoile.

Et j'ai même expliqué avec la réversibilité de la réaction et le fait que les particules ne séchapent pas toujours (c'est le cas dans un noyau où proton et électron peuvent avoir du mal à quitter le noyau ne fut-ce que pour des raisons énergétiques) cela conduit à un neutron stable (ou plus stable).

[Zefram Cochrane]

bonsoir,
je parlais aussi de neutrons libres, mais uniquement dans le sens de non liés à un noyau.
si j'ai bien compris, la naine blanche n'est pas une étoile à protons.
Pourtant, je croyais qu'en explosant en supernova, le noyau de fer restait à nu et, à cause de la contraction gravitationnelle, les noyaux était dichotomisés, les neutrons séparés des protons. et se retrouvant libres, se transmutaient en proton. d'où l'égalité : naine blanche = étoile à protons.

je m'interroge sur la constitution du pulsar?
je voudrais savoir en quoi cette relation :
P + e- -> N + v- est plus vrai que celle-ci :
P -> N + e+ + v+
je trouve que le gros défaut de la première est de nécessiter la présences d'électrons tandis que la seconde non.

par ailleurs, selon mon idée, parce qu'ils sont isolés dans le pulsars, les neutrons se transmutent en protons ( N -> P + e- + v- ), mais du fait de la contraction de l'espace-temps et de par la vitesse de rotation du pulsar, leurs 20 minutes d'existence dure des siècles pour nous, observateurs situés à l'extérieur.
(ceci dit, je dois peut être revoir entre autres, la notion de neutron libre).

[Calvert]

si j'ai bien compris, la naine blanche n'est pas une étoile à protons.

Absolument. Une naine blanche est constituée de noyaux ordinaires, bien que dans un état dégénéré (c'est-à-dire, la pression de dégénérescence des électrons est importante au maintien de l'étoile).

Pourtant, je croyais qu'en explosant en supernova, le noyau de fer restait à nu

Certes, mais la naine blanche n'est pas issue d'une explosion de SN.

à cause de la contraction gravitationnelle, les noyaux était dichotomisés, les neutrons séparés des protons. et se retrouvant libres, se transmutaient en proton. d'où l'égalité : naine blanche = étoile à protons.

Non. Lors de l'effondrement du coeur de fer lors de l'explosion d'une SN, la pression de dégénérescence des électrons est insuffisante à soutenir l'étoile contre sa propre gravitation. Les électrons n'ont d'autre choix que de s'associer aux protons pour former une "soupe de neutrons".

et se retrouvant libres, se transmutaient en proton. d'où l'égalité : naine blanche = étoile à protons.

Again. La naine blanche est constituée de noyaux atomiques ordinaires.

je m'interroge sur la constitution du pulsar?

Un pulsar est une étoile à neutrons.

je trouve que le gros défaut de la première est de nécessiter la présences d'électrons tandis que la seconde non.

Initialement, l'étoile est essentiellement constituée de matière neutre, et contient donc autant d'électrons que de protons. Les électrons sont donc là.

[Zefram Cochrane]

C'est donc à cause de la pression électronique que dans la chaîne P-P, la réaction s'écrit
P + P -> d + e+ + v+ + E
et non pas
P + P + e- -> d + v- + E
?

[invitea4732f50]

...se produit dans le coeur des pulsars, c'est-à-dire dans des conditions extrêmes qui sont loins d'être réunies dans le coeur du Soleil.

Bonjour,

J'ai cru comprendre que certaines réactions au coeur du Soleil,
étaient possible grâce à l'effet tunnel.

Le noyau (ou cœur) est la partie centrale de l’étoile, concentrant une grande partie de la masse de l’astre, dans laquelle se déroulent les réactions thermonucléaires qui dégagent l’énergie nécessaire à sa stabilité. Le noyau est la zone la plus dense et la plus chaude, et, dans le cas du Soleil, atteint la température de 15,7 millions de kelvins. Dans ces conditions extrêmes, la matière se trouve sous forme de plasma ; par effet tunnel, les noyaux d’hydrogène (protons) ou d’autres éléments chimiques atteignent des vitesses leur permettant de vaincre leur répulsion électrique et de fusionner : par exemple, dans les chaines nucléaires dites proton-proton (ou PP1, PP2…), les protons fusionnent par groupe de quatre pour donner un noyau d’hélium, composé de deux protons et de deux neutrons. Il se produit alors un dégagement d’énergie selon les réactions suivantes :

2 (1H + 1H → 2D + e+ + νe) (4,0 MeV + 1,0 MeV)

2 (1H + 2D → 3He + γ) (5,5 MeV)

3He + 3He → 4He + 1H + 1H (12,86 MeV)



Cordialement,

[Calvert]

C'est donc à cause de la pression électronique que dans la chaîne P-P, la réaction s'écrit
P + P -> d + e+ + v+ + E
et non pas
P + P + e- -> d + v- + E
?

Non. C'est parce qu'une réaction à deux corps est beaucoup plus probable qu'une réaction à trois corps.

J'ai cru comprendre que certaines réactions au coeur du Soleil,
étaient possible grâce à l'effet tunnel.

Oui. En fait, sans effet tunnel, à la température du coeur du Soleil, il y aurait très très peu de réactions nucléaires. L'agitation thermique nécessaire pour que les protons aient suffisamment d'énergie pour franchir la barrière de potentiel (ils ont naturellement tendance à se repousser à moyenne et longue distance) requiert des températures beaucoup plus élevées que les 15 millions de K.

L'efficacité de réaction est déterminée par le produit de la vitesse (distribution de Maxwell-Boltzmann) et de la probabilité d'effet tunnel. cela donne une courbe qui présente un maximum à une énergie inférieure à la valeur de la barrière de potentiel. On appelle ça le "pic de Gamov" (voir là, par exemple).