Bethe-Weizsäcker-Zyklus

Bethe-Weizsäcker-Zyklus, Bezeichnung für ein Reihe von Atomkernumwandlungsprozessen in der Sonne und in Sternen. Der Zyklus wurde nach den Physikern Hans Albrecht Bethe und Carl Friedrich von Weizsäcker benannt, die ihn unabhängig voneinander 1938 postulierten.

Bei diesem Vorgang, auch als Kohlenstoff-Stickstoff-Sauerstoff-Zyklus bezeichnet, handelt es sich um einen Kernumwandlungsprozess, der aus vier Wasserstoffkernen (Protonen) einen Heliumkern entstehen lässt. Dieser Prozess spielt sich im Inneren von Sternen ab, in denen Temperaturen von bis zu 30 Millionen °C herrschen können, und ist maßgeblich für die Bildung der stellaren Energie verantwortlich.

Zur Erzeugung von Helium muss allerdings das radioaktive Kohlenstoffisotop ¹²C im Sterneninneren vorhanden sein. Die Massenzahl 12 beschreibt die Anzahl von Protonen und Neutronen, aus denen der Kern besteht – bei Kohlenstoff (C) sind es sechs Protonen.

Während des Prozesses nimmt der ¹²C-Kern ein Proton (¹H) auf und wandelt sich, indem er gleichzeitig Gammastrahlen abgibt, in einen Stickstoffkern ¹³N um, dessen Massenzahl sich dabei um ein Proton erhöht hat:

12C + 1H → 13N (+ Energie).

Durch die Abstrahlung eines Positrons (e⁺) und eines Neutrinos (ν_e) wird eines der Protonen in ein Neutron umgewandelt. Es entsteht ein Kohlenstoffkern ¹³C:

13N → 13C + e+ + νe (+ Energie).

Durch ein weiteres Einfangen eines Protons erfolgt die Umwandlung des ¹³C-Kernes, wieder unter Abgabe von Gammastrahlen, in einen Stickstoffkern ¹⁴N:

13C + 1H → 14N (+ Energie).

Fängt dieser Stickstoffkern ebenfalls ein Proton ein, erfolgt die Umwandlung in einen Sauerstoffkern ¹⁵O:

14N + 1H → 15O (+ Energie).

Bei Abgabe eines Positrons und eines Neutrinos im Sauerstoffkern wird ein Proton in ein Neutron umgewandelt, was die Rückwandlung in einen Stickstoffkern ¹⁵N zur Folge hat:

15O → 15N + e+ + νe (+ Energie).

Wird in der Folge ein weiteres Proton eingefangen, zerfällt der Stickstoffkern in einen Heliumkern ⁴He und in den ursprünglichen Kohlenstoffkern ¹²C:

15N + 1H → 4He + 12C (+ Energie).

Bei diesem Prozess, der die mehrfache Umwandlung und letztendlich die Wiederherstellung des ursprünglichen Kohlenstoffkernes ¹²C zur Folge hat, werden außerdem ein Heliumkern, zwei Positronen, zwei Neutrinos sowie Gammastrahlen erzeugt. Diese Energie (etwa 27 Megaelektronenvolt = 180 800 Kilowattstunden pro Gramm Helium) stellt vermutlich die Hauptenergiequelle für die Sonne und die Sterne, die wir als Licht und Wärme wahrnehmen.