¿Por qué los deuterones no producen un núcleo de helio-4 cuando se fusionan?

Question

Yo esperaría que dos núcleos de deuterio se fusionaran directamente en un único núcleo de helio-4, porque esa es con diferencia la forma más estable de disponer 2 protones y 2 neutrones. En cambio, dos deuterones cualesquiera que se fusionen tienen una probabilidad del 50-50 de producir un núcleo de tritio y un neutrón o un núcleo de helio-3 y un protón. ¿A qué se debe esto?

Answer 1

En fusión de deuterio la reacción es extremadamente exotérmica. Libera aproximadamente un millón de veces más energía que una reacción química típica, y esa energía tiene que ir a alguna parte. Si dos núcleos de deuterio se fusionaran para formar un núcleo de helio-4, la energía no tendría ningún destino y el núcleo de helio volvería a dividirse.

Así que el núcleo de helio recién formado tiene que deshacerse de toda esa energía, y hay tres formas de hacerlo:

1. el núcleo de helio podría liberar la energía como un rayo gamma y formar ${}^4\mathrm{He}$ directamente

2. el núcleo de helio podría liberar un protón para formar ${}^3\mathrm{H}$ . Entonces la energía se transporta como energía cinética del protón y el ${}^3\mathrm{H}$ núcleo.

3. el núcleo de helio podría liberar un neutrón para formar ${}^3\mathrm{He}$ . Entonces la energía se transporta como energía cinética del neutrón y el ${}^3\mathrm{He}$ núcleo.

Pero estas tres ramas tienen probabilidades muy diferentes. Alrededor del 55% de las veces ocurre la reacción (3) y acabamos con helio-3. Aproximadamente el 45% de las veces se produce la reacción (2) y obtenemos tritio. La reacción (1) sólo ocurre un 0,0001% de las veces, por lo que es muy raro que la fusión forme helio-4 en un solo paso.

Ahora la siguiente pregunta es por qué emitir un fotón es mucho menos probable que emitir un protón o un neutrón, y como Chris comenta a continuación podemos responder a esto de forma manoseada. Crear un fotón implica una interacción electromagnética, mientras que expulsar un protón o un neutrón sólo requiere una interacción de fuerza fuerte. La fuerza electromagnética es mucho más débil que la fuerza fuerte, por lo que, en general, cualquier proceso en el que intervenga la fuerza electromagnética es mucho más lento que las interacciones en las que interviene la fuerza fuerte.

Answer 2

En realidad, la fusión de dos deuterones puede producir helio-4 aunque lo más frecuente es que arroje otros resultados.