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nPlease return Assignment to theSchool Office by 13:00 Weds. 11thFebruary (tomorrow!)nPlease return Assignment to theSchool Office by 13:00 Weds. 11thFebruary (tomorrow!)
The assignment questions will be reviewedin next week’s workshopThe assignment questions will be reviewedin next week’s workshop
Stellar Power SourcesStellar Power Sources
nPossibilitiesnPossibilities
Chemical burningChemical burning
nonly few thousand yearsnonly few thousand years
Gravitational contractionGravitational contraction
nfew million yearsnfew million years
Nuclear fusionNuclear fusion
n~1010 years for sun-like starn~1010 years for sun-like star
Physics of FusionPhysics of Fusion
nThe Nuclear PotentialnThe Nuclear Potential
Repulsive at large distances due to CoulombRepulsive at large distances due to Coulomb
Attractive at short range due to Strong NuclearForceAttractive at short range due to Strong NuclearForce
n(1fermi 10-15 m)n(1fermi 10-15 m)
Physics of FusionPhysics of Fusion
Classically, for nuclei to fuse, barrier ofheight Ec has to be overcome:Classically, for nuclei to fuse, barrier ofheight Ec has to be overcome:
Ec in MeV, ZAZB nuclear charges and rN the range of thestrong force in fermis (typically 1 fermi)
Physics of FusionPhysics of Fusion
Typical stellar models give typical coretemperatures of 107 (kT 1keV)Typical stellar models give typical coretemperatures of 107 (kT 1keV)
Fraction of nuclei with sufficient energy toovercome EC given by Boltzmann:Fraction of nuclei with sufficient energy toovercome EC given by Boltzmann:
Classically, fusion shouldn’t happen!
Physics of FusionPhysics of Fusion
nSolution:nSolution:
Quantum MechanicsQuantum Mechanics
Protons described by SchroedingerEquationProtons described by SchroedingerEquation
Quantum mechanical tunnelling possibleQuantum mechanical tunnelling possible
Physics of FusionPhysics of Fusion
Probability of barrier penetration given by:Probability of barrier penetration given by:
Where rc is the classical closest distance of approach ofthe nuclei and  is defined by:
Physics of FusionPhysics of Fusion
The probability of barrier penetration canbe recast in terms of energy:The probability of barrier penetration canbe recast in terms of energy:
Where EG is the Gamow energy define by:
 = fine structure constant (~1/137)
mr = reduced mass of nuclei
Physics of FusionPhysics of Fusion
For two protons, EG =493 keVFor two protons, EG =493 keV
In typical stellar core, kT keVIn typical stellar core, kT keV
Hence the probability of barrier penetrationis:Hence the probability of barrier penetrationis:
Still slow, but there are a lot of protons, and we have a lotof time!
Fusion Cross SectionsFusion Cross Sections
nConsider proton moving in medium with nprotons per unit volumenConsider proton moving in medium with nprotons per unit volume
Probability of fusion occuring within distance xnxProbability of fusion occuring within distance xnx
 reaction cross section reaction cross section
Mean distance between collisions mean freepath, l 1/nMean distance between collisions mean freepath, l 1/n
Mean time betweencollisions, l/<v> 1/ n<v>Mean time betweencollisions, l/<v> 1/ n<v>
note  may depend on vnote  may depend on v
Fusion Cross SectionsFusion Cross Sections
nThe fusion cross section (Units, barns 10-28m2as function of energy is given by:nThe fusion cross section (Units, barns 10-28m2as function of energy is given by:
S(E) is a slowly varying function determined by thenuclear physics of the reaction
1/E introduced to account for low energy behaviour
Fusion Reaction RatesFusion Reaction Rates
Consider the reaction rate between twonuclei, and B, travelling with relative speed,vwith concentrations nA and nBwith crosssection Consider the reaction rate between twonuclei, and B, travelling with relative speed,vwith concentrations nA and nBwith crosssection 
Mean time for an nucleus to fuse with is: A 1/ nB<v>Mean time for an nucleus to fuse with is: A 1/ nB<v>
Hence, the total fusion rate per unit volume is:RAB nAn<v>Hence, the total fusion rate per unit volume is:RAB nAn<v>
Fusion Reaction RatesFusion Reaction Rates
To obtain <v>, we note that:To obtain <v>, we note that:
Where P(vr) is the Maxwell-Boltzmann distribution givenby:
Fusion Reaction RatesFusion Reaction Rates
Including the function for  found earlier,the total reaction rate is then:Including the function for  found earlier,the total reaction rate is then:
Concentrating on the integral, we note that for a givenimpact energy, E, there is a competition between theBoltzmann term and the Gamow energy term
Fusion Reaction RatesFusion Reaction Rates
exp(-E/kT)
exp(-(EG/E)1/2)
exp(-E/kT-(EG/E)1/2)
Proton-proton reactionsProton-proton reactions
nT 2x107 K, EG 290kTnT 2x107 K, EG 290kT
Fusion Reaction RatesFusion Reaction Rates
Note there is range of energies in whichfusion rates peakNote there is range of energies in whichfusion rates peak
impact energy for peak rate, E0,impact energy for peak rate, E0,
Width given by:(Via a Taylor expansion)
Fusion Reaction RatesFusion Reaction Rates
For the proton-proton reaction shownearlier,E0 4.2kT 7.2 keVE 4.8kT 8.2 keVFor the proton-proton reaction shownearlier,E0 4.2kT 7.2 keVE 4.8kT 8.2 keV
Fusion Reaction RatesFusion Reaction Rates
The total reaction rate is found from theintegral shown earlier.The total reaction rate is found from theintegral shown earlier.
This gives:
Fusion Reaction RatesFusion Reaction Rates
Fusion reaction rates are strongly temperaturedependentFusion reaction rates are strongly temperaturedependent
ne.g, p-d reaction, EG 0.657 MeV, around 2x107 Kne.g, p-d reaction, EG 0.657 MeV, around 2x107 K
This implies the rate varies as 4.6
Fusion in Stars IFusion in Stars I
nHydrogen fusion mechanisms in mainsequence starsnHydrogen fusion mechanisms in mainsequence stars
Proton-Proton ChainProton-Proton Chain
CNO CycleCNO Cycle
Relative rates and temperaturedependenciesRelative rates and temperaturedependencies
Hydrogen BurningHydrogen Burning
nIn main sequence star, the principalsource of power is fusion of protonsinto helium nucleinIn main sequence star, the principalsource of power is fusion of protonsinto helium nuclei
4p  4He 2e+ 2e4p  4He 2e+ 2e
Relies on weak nuclear force to mediatereaction: e+ eRelies on weak nuclear force to mediatereaction: e+ e
Total energy release (including annihlationof positrons) 26.73 MeVTotal energy release (including annihlationof positrons) 26.73 MeV
Hydrogen BurningHydrogen Burning
nFour particle reaction unlikely, hence mightexpect three-step process:nFour particle reaction unlikely, hence mightexpect three-step process:
2p  2He +2p  2He +
2He  e+ e2He  e+ e
2d  4He +2d  4He +
nProblem:nProblem:
No bound state of 2HeNo bound state of 2He
Hence, it looks like hydrogen burning is slowHence, it looks like hydrogen burning is slow
Proton-Proton ChainProton-Proton Chain
npossibility:npossibility:
Fuse protons via the weak nuclear force togive deuteriumFuse protons via the weak nuclear force togive deuterium
 e+ e e+ e
nRequires 1.8 MeVnRequires 1.8 MeV
 d d
nReleases 2.2 MeVnReleases 2.2 MeV
Net Result:  e+ eNet Result:  e+ e
Proton-Proton ChainProton-Proton Chain
Recall the rate of reaction is given by:Recall the rate of reaction is given by:
This integral gives (see Phillips secn 4.1)
The symbols have their previous meaning, A = reducedmass in auS(E) is in keV barns
Proton-Proton ChainProton-Proton Chain
The reaction  e+ eis mediated by the weak force and is henceslowThe reaction  e+ eis mediated by the weak force and is henceslow
S 4x10-22 keV barns (calculated toosmall to measure!)S 4x10-22 keV barns (calculated toosmall to measure!)
What is the rate of proton-proton fusion inthe core of the sun?What is the rate of proton-proton fusion inthe core of the sun?
Proton-Proton ChainProton-Proton Chain
nAssume typical model of the sun’s core:nAssume typical model of the sun’s core:
T 15x106 KT 15x106 K
  105 kgm-3  105 kgm-3
Proton fraction 50%Proton fraction 50%
hence proton density np =3x1031 m-3hence proton density np =3x1031 m-3
Also 4x10-22 keV barns and EG 494 keVAlso 4x10-22 keV barns and EG 494 keV
nThese numbers give rate of:Rpp = 5x1013 m-3s-1nThese numbers give rate of:Rpp = 5x1013 m-3s-1
Proton-Proton ChainProton-Proton Chain
nMean lifetime of proton in the sun’score:nMean lifetime of proton in the sun’score:
Rate of any two protons fusingf Rpp (1/2 np)~3.3x10-18 s-1Rate of any two protons fusingf Rpp (1/2 np)~3.3x10-18 s-1
Hence, mean time for proton pair to fuseis: 1/f 3x1017 9x109 yearsHence, mean time for proton pair to fuseis: 1/f 3x1017 9x109 years
Slow proton-proton rate sets timescale forstellar lifetimesSlow proton-proton rate sets timescale forstellar lifetimes
Proton-Proton ChainProton-Proton Chain
nFollowing p-p fusion, further reactionsto produce 4He are rapidnFollowing p-p fusion, further reactionsto produce 4He are rapid
nThe proton-proton chain can followthree branches (pathways):nThe proton-proton chain can followthree branches (pathways):
Proton-Proton ChainProton-Proton Chain
p + p  d + e+ + e
p + d  3He +
3He  4He + 2p
Qeff = 26.2 MeV
85%
3He + 4He  7Be + 
e- + 7Be  7Li + e
p + 7Li  4He + 4He
Qeff = 25.7 MeV
15%
p + 7Be  8B + 
8 8Be + e+ + e
8Be  4He + 4He
Qeff = 19.1 MeV
0.02%
Proton-Proton ChainProton-Proton Chain
nAverage energy release per p-p fusion:nAverage energy release per p-p fusion:
Take into account:Take into account:
two p-p fusions per branchtwo p-p fusions per branch
weightings of each branchweightings of each branch
15 MeV per p-p fusion15 MeV per p-p fusion
Given number of fusions per m-3 calculatedearlier, energy production rate 120 Wm-3Given number of fusions per m-3 calculatedearlier, energy production rate 120 Wm-3
The CNO CycleThe CNO Cycle
nThe proton-proton chain has atemperature dependence of 4nThe proton-proton chain has atemperature dependence of 4
nInternal temperatures of more massivestars are only moderatly highernInternal temperatures of more massivestars are only moderatly higher
nLuminosities much greater than can beexplained by the 4 dependencenLuminosities much greater than can beexplained by the 4 dependence
The CNO CycleThe CNO Cycle
nImplications:nImplications:
Another mechanism must be at workAnother mechanism must be at work
This mechanism must have higher ordertemperature dependenceThis mechanism must have higher ordertemperature dependence
Implies higher Coulomb barrierImplies higher Coulomb barrier
Recall power of dependence  EG1/3and EG  (ZAZb)2Recall power of dependence  EG1/3and EG  (ZAZb)2
Such mechanism is the CNO cycleSuch mechanism is the CNO cycle
The CNO CycleThe CNO Cycle
Reaction Pathway:Reaction Pathway:
p + 12 13N + 
13 13C + e+ + e
p + 13 14N + 
p + 14 15O + 
p + 15 12C + 4He
Qeff = 23.8 MeV
15 15N + e+ + e
= 1.5 keV barnsEG = 32.8 MeV
= 5.5 keV barnsEG = 33 MeV
= 3.3 keV barnsEG = 45.2 MeV
= 78 keV barnsEG = 45.4 MeV
The CNO CycleThe CNO Cycle
nNotice that:nNotice that:
12acts as catalyst12acts as catalyst
Rate governed by slowest stepRate governed by slowest step
nin p-p, the first p-p fusion stepnin p-p, the first p-p fusion step
nIn CNO, if one considers all parameters, thep-14step is slowestnIn CNO, if one considers all parameters, thep-14step is slowest
Abundance of 14N~0.6%Abundance of 14N~0.6%
The CNO CycleThe CNO Cycle
Rate of p-14fusion in the sunRate of p-14fusion in the sun
Abundance of 14N~0.6%Abundance of 14N~0.6%
ngives 2.6x1028 14m-3ngives 2.6x1028 14m-3
3.3 keV barns, EG 45.2 MeV3.3 keV barns, EG 45.2 MeV
Other parameters same as for p-p fusion:Other parameters same as for p-p fusion:
RpN 1.6x1012 s-1m-3RpN 1.6x1012 s-1m-3
CNO cycle contributes at most few to thepower of sun-like starCNO cycle contributes at most few to thepower of sun-like star
Mean lifetime of 14nucleus in the sun 5x108 yrsMean lifetime of 14nucleus in the sun 5x108 yrs
The CNO CycleThe CNO Cycle
nThe CNO cycle is strongly temperaturedependentnThe CNO cycle is strongly temperaturedependent
Using ideas from previous lecture, at thetemperature of sun-like star, andconsidering the p-14step,RpN 20Using ideas from previous lecture, at thetemperature of sun-like star, andconsidering the p-14step,RpN 20
We can compare the rate of p-p vs. CNOas function of temperatureWe can compare the rate of p-p vs. CNOas function of temperature
CNO vs. p-pCNO vs. p-p
15.63
15.63
2.96
2.96
sun
CNO vs. p-pCNO vs. p-p
nWe can see that:nWe can see that:
CNO contributes few of the sun’soutputCNO contributes few of the sun’soutput
In moderately hotter stellar core(~1.8x107 K) CNO p-pIn moderately hotter stellar core(~1.8x107 K) CNO p-p
In hot (>2x107cores, CNO p-pIn hot (>2x107cores, CNO p-p
requirement for CNOrequirement for CNO
nThe CNO cycle requires the heavyelements C, and O.nThe CNO cycle requires the heavyelements C, and O.
These elements have negligible abundancefrom the Big BangThese elements have negligible abundancefrom the Big Bang
They are not formed in the p-p chainThey are not formed in the p-p chain
What is the origin of heavy elements?What is the origin of heavy elements?
See Next Lecture Fusion in Stars IISee Next Lecture Fusion in Stars II
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nHeavy element productionnHeavy element production
nStar formationnStar formation