CNOサイクル

デジタル大辞泉

シーエヌオー‐サイクル【CNOサイクル】

読み方：しーえぬおーさいくる

水素原子核（陽子）4個からヘリウム原子核1個を生成する核融合反応。質量が太陽の2倍程度の主系列星の内部で、中心温度が2×10⁷K以上の場合、主にこの反応が起こる。1937年から1939年にかけて、H＝ベーテ、C＝F＝v＝ワイツゼッカーにより提唱された。名称はこの反応が炭素C、窒素N、酸素Oを媒介とすることに由来する。ベーテサイクル。ベーテワイツゼッカーサイクル。CNサイクル。

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CNOサイクル

出典: フリー百科事典『ウィキペディア（Wikipedia）』 (2021/11/15 16:05 UTC 版)

CNOサイクルの模式図

CNOサイクル (CNO cycle) とは恒星内部で水素がヘリウムに変換される核融合反応過程の一種である。陽子-陽子連鎖反応が太陽程度かそれ以下の小質量星のエネルギー源であるのに対して、CNOサイクルは太陽より質量の大きな恒星での主なエネルギー生成過程である。

CNOサイクルの理論は1937年から1939年にかけて、ハンス・ベーテとカール・フリードリヒ・フォン・ヴァイツゼッカーによって提唱された。ベーテはこの功績によって1967年のノーベル物理学賞を受賞した。CNOサイクルの名前は、この反応過程に炭素(C)・窒素(N)・酸素(O)の原子核が関わるところに由来する。

恒星内部での水素燃焼には陽子-陽子連鎖反応とCNOサイクルの両方が働いているが、CNOサイクルは大質量星のエネルギー生成過程に大きく寄与している。太陽内部でCNOサイクルによって生み出されるエネルギーは全体の約1.6%に過ぎない。

CNOサイクルは温度が約1,400万-3,000万Kの環境で稼動する。さらに、サイクル反応が回り始めるための「種」として¹²Cや¹⁶Oといった原子核がある程度存在する必要がある。現在考えられている元素合成理論では、ビッグバン元素合成で炭素や酸素はほとんど生成されないと考えられるため、宇宙誕生後の第1世代（種族III）の恒星の内部ではCNOサイクルによるエネルギー生成は起こらなかったと考えられる。このような星の内部ではトリプルアルファ反応によってヘリウムから炭素が合成された。やがてこれらの星が超新星爆発によって炭素を星間物質として供給したため、そこから生まれた第2世代以後の恒星では炭素原子核が最初から恒星内に含まれており、CNOサイクルの触媒として働くようになっている。

CNO-1 サイクル

CNOサイクルの場合も陽子-陽子連鎖反応と同様に、4個の水素原子核が1個のヘリウム原子核に変換される。CNOサイクルの反応経路は以下の通りである。表中の「平均寿命」は各反応が進行する平均的な時間尺度を示す。

反応経路

反応				平均寿命
${\ce {^{12}C\ + {}^1H}}$	${\ce {->}}$	${\ce {^{13}N\ + \gamma}}$	+1.95 MeV	1.3 × 107 年
${\ce {^{13}N}}$	${\ce {->}}$	${\ce {^{13}C\ +{\mathit {e}}^{+}\ +\nu _{\mathit {e}}}}$	+1.37 MeV	7 分
${\ce {^{13}C\ + {}^1H}}$	${\ce {->}}$	${\ce {^{14}N\ + \gamma}}$	+7.54 MeV	2.7 × 106 年
${\ce {^{14}N\ + {}^1H}}$	${\ce {->}}$	${\ce {^{15}O\ + \gamma}}$	+7.35 MeV	3.2 × 108 年
${\ce {^{15}O}}$	${\ce {->}}$	${\ce {^{15}N\ +{\mathit {e}}^{+}\ +\nu _{\mathit {e}}}}$	+1.86 MeV	82 秒
${\ce {^{15}N\ + {}^1H}}$	${\ce {->}}$	${\ce {^{12}C\ + {}^4He}}$	+4.96 MeV	1.12 × 105 年

最後の反応で作られた ¹²C が再び水素と融合することで、全体がサイクル反応となる。

この過程では ¹²C, ¹³C, ¹⁴N, ¹⁵N が水素と融合する反応が本質的であることから、CNサイクルと呼ばれる場合もある。途中で生成される ¹³N と ¹⁵O は不安定な核種で、短時間でベータ崩壊して陽電子と電子ニュートリノを放出する。

このサイクルで行なわれる正味の反応は、4個の水素原子核（陽子）が融合して1個のヘリウム原子核（アルファ粒子）と2個の陽電子、2個のニュートリノに変換され、エネルギーがガンマ線として放射されるというものである。反応過程に現れる炭素・酸素・窒素原子核は反応の触媒として働き、サイクル中で再生産される。

CNO-2 サイクル

上記の反応の最後で ¹⁵N と水素が融合する際に、約0.04%の確率で ¹²C と ⁴He ではなく ¹⁶O とガンマ線光子が作られる場合がある。この場合にはサイクルが分岐し、以下の反応経路をとる。

${\ce {^{15}N\ + {}^1H}}$	${\ce {->}}$	${\ce {^{16}O\ + \gamma}}$
${\ce {^{16}O\ + {}^1H}}$	${\ce {->}}$	${\ce {^{17}F\ + \gamma}}$
${\ce {^{17}F}}$	${\ce {->}}$	${\ce {^{17}O\ +{\mathit {e}}^{+}\ +\nu _{\mathit {e}}}}$
${\ce {^{17}O\ + {}^1H}}$	${\ce {->}}$	${\ce {^{14}N\ + {}^4He}}$

CNO-1 サイクルでの炭素・窒素・酸素と同じく、この CNO-2 サイクルで生成されるフッ素原子核も単に触媒として働き、サイクル反応が定常状態にある場合には恒星内に溜まることはない。

エネルギー生成

CNOサイクルでは1サイクルごとに約25MeVのエネルギーが生成される。CNOサイクルの1サイクルが完結するまでの時間は約 3.8 × 10⁸ 年で、陽子-陽子連鎖反応の時間尺度（約10⁹年）よりも短い。このため、CNO サイクルを主なエネルギー源とする大質量星では単位時間当たりのエネルギー生成率が小質量星よりも大きい。

また、CNOサイクルは温度に非常に敏感な反応である。CNOサイクルのエネルギー生成率は温度の15乗に比例する。従って温度が5%上昇するとエネルギーの放出は約2.08倍に増加する。

関連項目

• トリプルアルファ反応
• 陽子-陽子連鎖反応

Weblio日本語例文用例辞書

「CNO サイクル」の例文・使い方・用例・文例

• （CNOH）シアン化酸の異性体である爆発性の塩およびエステルの形で存在する不安定な酸
• 市議会は提出されていた水リサイクル計画を否決した
• リサイクルするほうが環境にはやさしい
• 彼が樹脂複合材料のリサイクル技術を確立する
• 会社がリサイクルの費用を負担します
• 空いたペットボトルは必ずリサイクルボックスへ入れてください。
• 多くの仏教徒は出生、苦しみ、死、および再生の無限のサイクルを信じている。
• 路面のくぼみは主に凍結融解サイクルのためにできる。
• 我々はPDCAサイクルを活用して、業務を継続的に改善しています。
• プロダクトライフサイクルの考え方を考慮した上で次の戦略を決めなさい。
• 典型的なマネジメントサイクルとしてPDCA (計画・実行・検証・改善)が有名です。
• そろそろその商品のライフサイクルエクステンション戦略を練らなければ。
• ライフサイクルコストの観点からこの車にしたんだ。
• ビジネスサイクルの中で、企業は景気後退局面への抜かりのない準備を怠ってはならない。
• 最も短い景気サイクルの一つがキチンサイクルである。
• ステープル商品とは、定番商品の事で、長い期間にわたって販売されるサイクル寿命の長い商品をいいます。
• 利益を増幅するためには、営業サイクルを短縮する必要がある。
• 日本は大衆消費社会からリサイクルを基本とする持続可能社会に変わるべきである。
• このサイクルはずっと続いている。
• サイクルの最小の温度