¿Por qué el hidrógeno y el helio no pueden fusionarse?

El hidrógeno y el helio pueden unirse brevemente para formar litio-5, pero este es un nucleido extremadamente inestable que se desmorona instantáneamente (con una vida media de${\sim}4\times 10^{-22}\:\rm s$) y que activamente requiere energía para hacer (es decir, es un proceso endotérmico, a diferencia de cómo normalmente pensamos en la fusión nuclear).

La razón de esto es que el helio-4 es un sistema particularmente estable y tiene una gran energía de enlace.$-$mucho más grande que cualquier cosa inmediatamente superior en tamaño. En el litio-5, tiene tres protones, que puede considerar como dos de ellos emparejados y un tipo solitario en una capa nuclear propia con una energía mucho más alta. Esta energía es tan alta que es más fácil que el protón extra se desprenda y desaparezca para convertirse en un núcleo de hidrógeno separado.

Para hacer litio estable, necesita más neutrones para estabilizar el nucleido, por lo que solo el litio-6 y el litio-7 son estables.

Esto plantea la cuestión de si sería posible combinar isótopos adecuados para hacer aquellos, para los cuales los únicos candidatos son

• La primera reacción ocurre y, por ejemplo, este documento la llama "captura radiativa de deuterio en partículas alfa". Pero es extremadamente improbable y solo produjo pequeñas cantidades de litio-6 (wrt producción de litio-7) en la nucleosíntesis del Big-Bang. (Y, además, el deuterio no es estable en los núcleos estelares ).
• El segundo sí sucede y sí produce energía. Sin embargo, es poco probable en la nucleosíntesis estelar ya que requiere tritio, que es inestable.
• La tercera reacción también puede ocurrir (estudiada, por ejemplo, en este documento ), pero nuevamente es extremadamente improbable y requiere tritio, que es inestable.

Por si sirve de algo, estas reacciones son exotérmicas, liberando 1,5, 2,4 y 934 MeV de energía, respectivamente, por lo que se permite que sucedan por sí solas sin necesidad de suministrar energía inicial a los reactivos para que se fusionen.

En otras palabras, los isótopos superiores de hidrógeno tienen un canal abierto de fusión con helio para producir litio. Sin embargo, estos canales están tan suprimidos, debido a los detalles de la probabilidad de que sucedan las reacciones, que son insignificantes en la nucleosíntesis estelar.

Y, finalmente, hay un problema aún mayor, conocido como la quema de litio : si solo libera un núcleo de litio (ya sea los isótopos -6 o -7) en un núcleo estelar, la estrella tenderá a comerlo crudo:

• El litio-7 puede fusionarse con hidrógeno para formar berilio-8, que rápidamente se rompe por la mitad para formar dos núcleos de helio-4. Nuevamente, esto es consecuencia de la extrema estabilidad de las partículas alfa en comparación con cualquiera de sus vecinos en la tabla de nucleidos.
• El litio-6 puede fusionarse con hidrógeno para producir berilio-7, que se descompone mediante la captura de electrones en litio-7. El litio-7 resultante terminará atrapando otro protón, como se indicó anteriormente.

El resultado neto de este mecanismo es que las estrellas desarrolladas tienen menos litio que la sopa primordial con la que comenzaron.

Un problema es la conservación del número bariónico, es decir, el número de nucleones antes y después de la reacción debe ser el mismo. No deberían cambiar los protones en neutrones o viceversa (a menos que no haya otra forma), porque requeriría una interacción débil, y si hay una forma de reaccionar sin depender de la interacción débil, los núcleos generalmente elegirán esta forma. Otra es la conservación de la energía y el momento: para que ambos se conserven, tiene que haber otra partícula además del nuevo núcleo creado en la reacción para que tanto la energía como el momento se conserven.

La fusión de hidrógeno-1 y helio-4 necesitaría tener 5 nucleones, pero no existe un núcleo estable de ese tamaño 5. El helio-5 tiene la vida media de$7×10^{−22}$s y el litio-5 tiene la vida media de$3.7×10^{−22}$s. Eso es demasiado corto para que participen en otra reacción y posiblemente creen un núcleo estable más pesado antes de que se desintegre. Por eso, cuando el hidrógeno-2 reacciona con el helio-3, solo crean helio-4 y un protón.

Si el hidrógeno-2 y el helio-4 se fusionaran en litio-6, en esta reacción ningún nucleon necesitaría cambiar de protón a neutrón o viceversa, y sin tal cambio, no habría productos secundarios (como electrones y neutrinos). ) que son necesarios para equilibrar la energía y el impulso. Es posible que suceda con la emisión de un fotón, pero esto significa involucrar la interacción electromagnética en la reacción, que es mucho más débil que la interacción fuerte, y eso hace que la reacción sea mucho menos probable (y por lo tanto menos efectiva). en la producción de energía). La fusión de hidrógeno-3 y helio-3 a litio-6, o hidrógeno-3 y helio-4 a litio-7, tiene el mismo problema.

Parece que podría ser posible una reacción en la que el hidrógeno-3 y el helio-4 crean litio-6 y neutrones, ya que no viola ninguna regla. Sin embargo, esta reacción consume energía en lugar de producirla (el producto pesa más que los reactivos) y, como tal, no puede alimentar la combustión de una estrella, especialmente porque el tritio-3 es un isótopo raro.

En resumen: la reacción de fusión entre el helio y el hidrógeno puede

1. ocurrir sin la creación de nuevos elementos, o
2. no son una fuente de energía efectiva.