Siklus CNO (karbon-nitrogen-oksigen)

Siklus CNO (karbon-nitrogen-oksigen) atau daur karbon atau daur cc (carbon cycle) adalah salah satu dari dua reaksi fusi yang mengubah hidrogen menjadi helium di dalam inti bintang, reaksi lainnya adalah reaksi rantai proton-proton.

Urutan Siklus CNO

Siklus CNO mengacu pada siklus Karbon-Nitrogen-Oksigen, sebuah proses nukleosintesis bintang di mana bintang-bintang pada Sekuens Utama memadukan hidrogen menjadi helium melalui serangkaian reaksi enam tahap. Urutan ini berlangsung sebagai berikut:

1. Inti karbon-12 menangkap proton dan memancarkan sinar gamma, menghasilkan nitrogen-13.

2. Nitrogen-13 tidak stabil dan memancarkan partikel beta, membusuk (decay) menjadi karbon-13.

3. Carbon-13 menangkap proton dan menjadi nitrogen-14 melalui emisi sinar gamma.

4. Nitrogen-14 menangkap proton lain dan menjadi oksigen-15 dengan memancarkan sinar gamma.

5. Oxygen-15 menjadi nitrogen-15 melalui peluruhan beta.

6. Nitrogen-15 menangkap proton dan menghasilkan inti helium (partikel alfa) dan karbon-12, yang merupakan awal siklus.

Dimana reaksi rantai proton-proton terjadi?

Reaksi rantai proton-proton terutama terjadi di dalam bintang-bintang seukuran Matahari atau lebih kecil, namun reaksi pertama dari rantai proton-proton yang melibatkan dua proton memiliki penampang nuklir (cross section) yang kecil. Pada temperatur yang lebih tinggi bottleneck tersebut dilalui dengan memanfaatkan atom-atom karbon sebagai katalis dalam reaksi.

Pada kondisi suhu inti Matahari, hanya 1,7% ⁴He yang diproduksi melalui mekanisme daur karbon ini, tetapi di dalam bintang-bintang yang lebih berat daur karbon menjadi sumber energi utama. Proses daur karbon pertama kali diusulkan pada tahun 1938 oleh fisikawan Hans Bethe.

Siklus utama

Dominan atau tidaknya reaksi daur karbon bergantung pada kelimpahan ¹²C dan temperatur. Reaksi tersebut berlangsung sebagai berikut:

Dalam rangkaian reaksi ini, secara netto, empat proton (partikel subatomik, simbol p atau p+, dengan muatan listrik positif +1e muatan elementer dan massa sedikit lebih kecil dari neutron) diubah menjadi satu partikel alfa (bentuk radiasi partikel yang sangat menyebabkan ionisasi, dan kemampuan penetrasinya rendah), dua positron (yang segera musnah karena interaksi dengan elektron dan menghasilkan energi dalam bentuk sinar gamma) dan dua neutrino.

Neutrino yang dihasilkan reaksi (2) membawa energi sekitar 0,71 MeV, sedangkan yang dihasilkan reaksi (5) membawa energi sekitar 1,00 MeV. Dari rangkaian reaksi di atas dapat dilihat bahwa inti karbon hanya bertindak sebagai katalis dan pada akhir rangkaian dihasilkan kembali. Inti-inti nitrogen dan oksigen memang terbentuk tetapi segera meluruh atau bereaksi dengan proton yang ada. Rangkaian reaksi ini dominan pada suhu di atas 15 juta Kelvin.

2 Jenis Siklus CNO Panas dan Dingin

Berikut adalah penjelasan tentang 2 jenis siklus CNO (karbon-nitrogen-oksigen):

Siklus CNO Dingin

Di bawah kondisi khas yang ditemukan pada bintang-bintang, pembakaran hidrogen katalitik oleh siklus CNO dibatasi oleh tangkapan proton. Secara khusus, skala waktu untuk peluruhan beta dari inti radioaktif yang dihasilkan lebih cepat daripada skala waktu untuk fusi. Karena rentang waktu yang panjang, siklus CNO yang dingin mengubah hidrogen menjadi helium secara perlahan, memungkinkannya untuk memberi daya pada bintang dalam keseimbangan diam selama bertahun-tahun.

CNO-I

Siklus katalitik pertama yang diusulkan untuk konversi hidrogen menjadi helium pada awalnya disebut siklus karbon-nitrogen (CN-cycle), juga disebut sebagai siklus Bethe-Weizsäcker untuk menghormati karya independen Carl von Weizsäcker pada tahun 1937-38 dan Hans Bethe. 1939 makalah Bethe pada siklus-CN menggambar pada 3 makalah sebelumnya yang ditulis bekerja sama dengan Robert Bacher dan Milton Stanley Livingston dan yang kemudian dikenal secara informal sebagai “Bethe’s Bible.” Hal itu dianggap sebagai pekerjaan standar pada fisika nuklir selama bertahun-tahun dan merupakan faktor penting dalam dirinya dianugerahi Hadiah Nobel Fisika 1967. Kedua perhitungan asli menunjukkan siklus CN adalah sumber energi utama Matahari.

Kesimpulan ini muncul dari apa yang sekarang dikenal sebagai kepercayaan yang keliru: bahwa kelimpahan nitrogen di matahari sekitar 10%, padahal sebenarnya kurang dari setengah persen. Siklus CN, dinamai karena tidak mengandung isotop oksigen yang stabil melibatkan siklus transformasi berikut: ¹²₆C → ¹³₇N → ¹³₆C → ¹⁴₇N → ¹⁵₈O → ¹⁵₇N → ¹²₆C.

Siklus ini sekarang dipahami sebagai bagian pertama dari proses yang lebih besar, siklus CNO, dan reaksi utama dalam bagian siklus ini (CNO-I) adalah:

12 6C	+	1 1H	→	13 7N	+	γ			+	1.95 MeV
13 7N			→	13 6C	+	e+	+	ν e	+	1.20 MeV	(half-life of 9.965 minutes)
13 6C	+	1 1H	→	14 7N	+	γ			+	7.54 MeV
14 7N	+	1 1H	→	15 8O	+	γ			+	7.35 MeV
15 8O			→	15 7N	+	e+	+	ν e	+	1.73 MeV	(half-life of 122.24 seconds)
15 7N	+	1 1H	→	12 6C	+	4 2He			+	4.96 MeV

CNO-II

Pada suhu di atas 17 juta Kelvin, kadang-kadang reaksi (6) tidak menghasilkan ¹²C dan ⁴He, tetapi malah ¹⁶O dan sebuah foton, dan terus berlanjut dalam rangkaian reaksi sebagai berikut:

Dari 2500 interaksi antara ¹H dan ¹⁵N, hanya 1 reaksi (6a) yang terjadi. Tidak seperti rangkaian reaksi pertama, di akhir rangkaian kedua ¹²C tidak terbentuk kembali, tetapi menghasilkan ¹⁴N. Neutrino yang dilepaskan pada reaksi (8a) membawa energi setidaknya 0,94 MeV. Seperti halnya inti nitrogen dan oksigen pada rangkaian pertama, inti fluor pada rangkaian kedua terbentuk tetapi segera meluruh.

Rangkaian reaksi utama sering disebut sebagai siklus CNO-I dan rangkaian reaksi kedua disebut sebagai siklus CNO-II.

CNO-III

Cabang subdominant ini hanya penting untuk bintang masif. Reaksi dimulai ketika salah satu reaksi dalam CNO-II menghasilkan fluor-18 dan gamma bukan nitrogen-14 dan alfa, dan berlanjut:  ¹⁷₈O→¹⁸₉F→¹⁸₈O→¹⁵₇N→¹⁶₈O→¹⁷₉F→¹⁷₈O:

17 8O	+	1 1H	→	18 9F	+	γ			+	5.61 MeV
18 9F			→	18 8O	+	e+	+	ν e	+	1.656 MeV	(half-life of 109.771 minutes)
18 8O	+	1 1H	→	15 7N	+	4 2He			+	3.98 MeV
15 7N	+	1 1H	→	16 8O	+	γ			+	12.13 MeV
16 8O	+	1 1H	→	17 9F	+	γ			+	0.60 MeV
17 9F			→	17 8O	+	e+	+	ν e	+	2.76 MeV	(half-life of 64.49 seconds)

CNO-IV

Seperti CNO-III, cabang ini juga hanya signifikan pada bintang masif. Reaksi dimulai ketika salah satu reaksi dalam CNO-III menghasilkan fluorin-19 dan gamma bukan nitrogen-15 dan alfa, dan berlanjut ¹⁸₈O→¹⁹₉F→¹⁶₈O→¹⁷₉F→¹⁷₈O→¹⁸₉F→¹⁸₈O:

18 8O	+	1 1H	→	19 9F	+	γ			+	7.994 MeV
19 9F	+	1 1H	→	16 8O	+	4 2He			+	8.114 MeV
16 8O	+	1 1H	→	17 9F	+	γ			+	0.60 MeV
17 9F			→	17 8O	+	e+	+	ν e	+	2.76 MeV	(half-life of 64.49 seconds)
17 8O	+	1 1H	→	18 9F	+	γ			+	5.61 MeV
18 9F			→	18 8O	+	e+	+	ν e	+	1.656 MeV	(half-life of 109.771 minutes)

Siklus CNO Panas

Dalam kondisi suhu dan tekanan yang lebih tinggi, seperti yang ditemukan pada ledakan nova dan x-ray, laju tangkapan proton melebihi laju peluruhan beta, mendorong pembakaran ke garis tetesan proton. Gagasan penting adalah bahwa spesies radioaktif akan menangkap proton sebelum dapat membusuk beta, membuka jalur pembakaran nuklir baru yang jika tidak dapat diakses.

Karena suhu yang terlibat lebih tinggi, siklus katalitik ini biasanya disebut sebagai siklus CNO panas; karena rentang waktu dibatasi oleh peluruhan beta daripada tangkapan proton (reaksi nuklir di mana inti atom dan satu atau lebih proton bertabrakan dan bergabung untuk membentuk inti yang lebih berat), mereka juga disebut siklus CNO beta-terbatas.

HCNO-I

Perbedaan antara siklus CNO-I dan siklus HCNO-I adalah ¹³₇N menangkap proton daripada membusuk, mengarah ke urutan total ¹²₆C→¹³₇N→¹⁴₈O→¹⁴₇N→¹⁵₈O→¹⁵₇N→¹²₆C:

12 6C	+	1 1H	→	13 7N	+	γ			+	1.95 MeV
13 7N	+	1 1H	→	14 8O	+	γ			+	4.63 MeV
14 8O			→	14 7N	+	e+	+	ν e	+	5.14 MeV	(half-life of 70.641 seconds)
14 7N	+	1 1H	→	15 8O	+	γ			+	7.35 MeV
15 8O			→	15 7N	+	e+	+	ν e	+	2.75 MeV	(half-life of 122.24 seconds)
15 7N	+	1 1H	→	12 6C	+	4 2He			+	4.96 MeV

HCNO-II

Perbedaan penting antara siklus CNO-II dan siklus HCNO-II adalah bahwa ¹⁷₉F menangkap proton daripada membusuk (decay), dan neon diproduksi dalam reaksi selanjutnya ¹⁸₉F, mengarah ke urutan total ¹⁵₇N→¹⁶₈O→¹⁷₉F→¹⁸₁₀Ne→¹⁸₉F→¹⁵₈O→¹⁵₇N:

15 7N	+	1 1H	→	16 8O	+	γ			+	12.13 MeV
16 8O	+	1 1H	→	17 9F	+	γ			+	0.60 MeV
17 9F	+	1 1H	→	18 10Ne	+	γ			+	3.92 MeV
18 10Ne			→	18 9F	+	e+	+	ν e	+	4.44 MeV	(half-life of 1.672 seconds)
18 9F	+	1 1H	→	15 8O	+	4 2He			+	2.88 MeV
15 8O			→	15 7N	+	e+	+	ν e	+	2.75 MeV	(half-life of 122.24 seconds)

HCNO-III

Alternatif untuk siklus HCNO-II adalah ¹⁸₉F (Fluor 18) 
menangkap proton yang bergerak menuju massa yang lebih tinggi dan menggunakan mekanisme produksi helium yang sama dengan siklus CNO-IV ¹⁸₉F→¹⁹₁₀Ne→¹⁹₉F→¹⁶₈O→¹⁷₉F→¹⁸₁₀Ne→¹⁸₉F:

18 9F	+	1 1H	→	19 10Ne	+	γ			+	6.41 MeV
19 10Ne			→	19 9F	+	e+	+	ν e	+	3.32 MeV	(half-life of 17.22 seconds)
19 9F	+	1 1H	→	16 8O	+	4 2He			+	8.11 MeV
16 8O	+	1 1H	→	17 9F	+	γ			+	0.60 MeV
17 9F	+	1 1H	→	18 10Ne	+	γ			+	3.92 MeV
18 10Ne			→	18 9F	+	e+	+	ν e	+	4.44 MeV	(half-life of 1.672 seconds)

Penggunaan Siklus CNO dalam Astronomi

Sementara jumlah total inti “katalitik” dilestarikan dalam siklus, dalam evolusi bintang proporsi relatif dari inti diubah.

Ketika siklus dijalankan hingga kesetimbangan, rasio inti karbon-12 / karbon-13 didorong ke 3,5, dan nitrogen-14 menjadi inti yang paling banyak, terlepas dari komposisi awal.

Selama evolusi bintang, episode pencampuran konvektif memindahkan material, di mana siklus CNO telah beroperasi, dari interior bintang ke permukaan, mengubah komposisi bintang yang diamati.

Bintang raksasa merah diamati memiliki rasio karbon-12 / karbon-13 dan karbon-12 / nitrogen-14 yang lebih rendah daripada bintang sekuens utama, yang dianggap sebagai bukti yang meyakinkan untuk operasi siklus CNO.

Bintang apa yang menggunakan siklus CNO?

Siklus dimulai setelah suhu inti bintang mencapai 14 × 106 K dan merupakan sumber energi utama dalam bintang bermassa M> 1,5 M⊙. Bintang-bintang bermassa rendah mengkonversi hidrogen menjadi helium melalui proses alternatif yang dikenal sebagai ‘rantai proton-proton’.

Contoh Soal dan Jawaban Siklus CNO

1. Hidrokarbon adalah sebuah senyawa yang terdiri dari:

a) oksigen dan litium
b) unsur atom dan molekul
c) unsur dan senyawa yang dicampur
d) campuran dari NaCl dan Iodium
e) unsur karbon dan hidrogen

Jawab: E

Unsur hidrokarbon terdiri dari karbon dan hidrogen.

2. Berikan contoh daur karbon yang sangat simple:

• • CO² di alam > fotosintesis > tumbuhan mati > karbon tersimpan di dalam fosil.

• • Makhluk hidup bernapas > mengeluarkan CO² yang digunakan untuk fotosintesis.

• Fosil berubah menjadi bahan bakar > bahan bakar akan melepaskan CO² > kembali ke udara.

3. Berikan contoh daur nitrogen yang sangat simple:

Jawaban:

• Nitrogen dapat diambil pada proses fiksasi nitrogen oleh bakteri Rhizobium dan Azotobacter.
• Nitrifikasi:
  • Mitritasi: proses pengubahan amonia menjadi ion nitrit oleh nitrococcus dan nitromonas.
  • Nitratasi: proses pengubahan nitrit menjadi nitrat karena adanya nitrobacter.
  • Denitrifikasi: proses pemecahan HNO3 menjadi gas N2 oleh Pseudomonas Denitrificans dan Thiobacillus Denitrificans.

4. Mengapa siklus CNO membutuhkan suhu tinggi?

Jawaban:

Langkah-langkah siklus CNO melibatkan peleburan proton dengan karbon dan inti yang lebih berat. Karena inti karbon memiliki muatan 6, ia sangat mengusir proton yang mendekat. Oleh karena itu, siklus CNO membutuhkan suhu yang jauh lebih tinggi daripada rantai proton-proton, untuk mengatasi penghalang Coulomb yang lebih kuat.

5. Apa dua siklus pembakaran hidrogen?

Jawaban:

Pembakaran hidrogen adalah perpaduan 4 inti hidrogen (proton) menjadi inti helium tunggal (2 proton + 2 neutron). Proses fusi terjadi melalui serangkaian reaksi. Persisnya reaksi mana yang terjadi dalam suatu bintang tertentu tergantung pada massanya, dan oleh karena itu temperatur dan kerapatan intinya.

6. Apa pentingnya siklus proton-proton dan siklus CNO?

Jawaban:

Rantai proton-proton dan siklus CNO keduanya mengubah empat inti hidrogen menjadi satu inti helium, melepaskan energi. Siklus CNO berbeda dari rantai proton-proton karena ia membutuhkan karbon untuk bertindak sebagai katalis.

Rantai proton-proton dan siklus CNO keduanya mengubah empat inti hidrogen menjadi satu inti helium, melepaskan energi.
Siklus CNO berbeda dari rantai proton-proton karena ia membutuhkan karbon untuk bertindak sebagai katalis. Juga, karena langkah-langkah melibatkan proton yang menyatu dengan karbon dan inti yang lebih berat, siklus CNO membutuhkan suhu yang jauh lebih tinggi, untuk mengatasi penghalang Coulomb yang kuat.

7. Berapa suhu yang dibakar hidrogen?

Jawaban:

Jumlah energi panas yang dilepaskan tidak tergantung pada mode pembakaran, tetapi suhu nyala bervariasi. Temperatur maksimum sekitar 2.800°C (5.100°F) dicapai dengan campuran stoikiometrik yang tepat, sekitar 700°C (1.300°F) lebih panas daripada nyala api hidrogen di udara.

Bacaan Lainnya

• Kesetimbangan Kimia – Reaksi Kimia – Termodinamika, Pengaruh Suhu, Zat Murni, Jenis Kesetimbangan
• Rumus Rangkaian Listrik Dan Contoh-Contoh Soal Beserta Jawabannya
• Rumus Fisika: Alat optik: Lup, Mikroskop, Teropong Bintang, Energi, Frekuensi, Gaya, Gerak, Getaran, Kalor, Massa jenis, Medan magnet, Mekanika fluida, Momen Inersia, Panjang gelombang, Pemuaian, Percepatan (akselerasi), Radioaktif, Rangkaian listrik, Relativitas, Tekanan, Usaha Termodinamika, Vektor
• Bagaimana Albert Einstein mendapatkan rumus E=mc² ?
• Cara Mengemudi Aman Pada Saat Mudik atau Liburan Panjang
• Jenis Virus Komputer – Cara Gratis Mengatasi Dengan Windows Defender
• Cara Menghentikan Penindasan Bullying
• Cara menjaga keluarga Anda aman dari teroris – Ahli anti-teror menerbitkan panduan praktis
• Apakah Anda Memerlukan Asuransi Jiwa? – Cara Memilih Asuransi Jiwa Untuk Pembeli Yang Pintar
• Ibu Hamil Dan Bahaya Kafein – Sayur & Buah Yang Baik Pada Masa Kehamilan
• Daftar Jenis Kanker: Pemahaman Kanker, Mengenal Dasar-Dasar, Contoh Kanker, Bentuk, Klasifikasi, Sel dan Pemahaman Penyakit Kanker Lebih Jelas
• Penyebab Dan Cara Mengatasi Iritasi Atau Lecet Akibat Pembalut Wanita
• Apakah Produk Pembalut Wanita Aman?
• Sistem Reproduksi Manusia, Hewan dan Tumbuhan
• Cara Mengenal Karakter Orang Dari 5 Pertanyaan Berikut Ini
• Kepalan Tangan Menandakan Karakter Anda & Kepalan nomer berapa yang Anda miliki?

Sumber bacaan: Wikipedia (Inggris), Annual Reviews, Noble Prize, Research Gate, Swinburne

Pinter Pandai “Bersama-Sama Berbagi Ilmu”
Quiz | Matematika | IPA | Geografi & Sejarah | Info Unik | Lainnya | Business & Marketing