11．窒素の形成と水素と炭素と酸素

 

既述のページへのリンク： ①炭素という名称の起源   ②炭素の認識：木炭は何故炭素なのか   ③元素としての炭素の性質   ④炭素の誕生   ⑤宇宙の炭素   ⑥原始太陽系の炭素   ⑦炭素と有機物   ⑧炭素原子とメタン分子   ⑨炭化水素分子内での炭素の結合   ➉分子内での炭素と酸素の共有結合   ⑪窒素の形成と水素と炭素と酸素   ⑫窒素を含んだ有機化合物と無機化合物   ⑬星（恒星）と炭素   ⑭炭化水素分子内での炭素―炭素結合と電子   ⑮複雑な構造の炭化水素、⑯複素環式化合物、⑰炭素化合物の多様性、⑱炭素原子と星間分子

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宇宙でビッグバンの後に作られた最初の元素は水素（¹H）で、その原子核は1個の陽子（p）である。この陽子の4個が核融合を起こすことによってヘリウム（⁴He）が作られ、そのヘリウム（⁴He）の３個が融合して炭素（¹²C）が作られ、さらにその炭素（¹²C）にヘリウム（⁴He）が融合して酸素（¹⁶O）が形成され、さらに窒素（¹⁴N）作られた。一見簡単なこの過程が意外と複雑な過程を辿っている。陽子－陽子連鎖反応とトリプルアルファ反応とCNOサイクルと呼ばれる一連の反応がそれである。

水素（¹H）からヘリウム4の（⁴He）が形成されるには、下の式のように重水素とヘリウム３（³He）の形成を経由した三段階の反応を経る。結果的にはこの反応を纏めると4個の水素（¹H）から1個のヘリウム4（⁴He）が形成されたことになり中間の重水素（²H）やヘリウム3（³He）の存在は省かれてしまう。下記の式で、陽子と陽子の反応では、一つの陽子が陽電子を放出して陽子が中性子となるため結果として生成物は一つの陽子と一つの中性子からなる重水素となり、さらに重水素と水素(陽子)の反応では中性子の一つがγ(ガンマ)線を放出して陽子となり、2個の陽子と1個の中性子からなるヘリウム3（³He）となっている。

 一旦ヘリウム4（⁴He）ができると、この⁴Heを使ってさらに⁴Heが複数のルートで作られる。一つのルートは下に示すもので、結果を纏めると上記の反応の中間にできるヘリウム3（³He）と水素（^１H）が融合してヘリウム（⁴He）を生成したことになる。しかし、実際には、1個のヘリウム４（⁴He）が最初に消費され最後に再生されていて、ヘリウム4（^４He） が触媒の働きをしていることになる。その間にはベリリウム7  ⁽⁷Be)とリチウム７  ⁽⁷Li)の形成と消費が行われている。

もう一つのルートは下に示すもので、³Heと⁴Heの融合で始まり、最終的に2個の⁴Heを形成し、中間に⁷Beを形成する点では上記の反応と同じである。ここでもヘリウム4（⁴H）が触媒の役目をしている。しかし、途中でホウ素８ ⁽⁸B)とベリリウム８ ⁽⁸Be)を経由している点が異なる。なお、⁸Beは不安定ですぐに2個の⁴Heに崩壊してしまうが、ヘリウムの核融合によって保持されている高温高圧状態では ⁸Beと ⁴Heは平衡状態にあり、置かれた条件により双方が一定の比率で存在する。

星内部での⁴Heの形成に、上記のどの経路が主体となるかは、星の大きさに依存する。炭素が形成されるトリプルアルファ反応においても、結果としては3個のヘリウム（⁴He）が融合して1個の炭素（¹²C）ができたことになるが、以下の式に示すように中間にベリリウム8 （⁸Be）を介している。⁸Beは不安定ですぐに2個の⁴Heに戻ってしまい、その存在時間が短いため、次に⁴Heと反応を起こす機会は非常に少ない。しかし、⁸Be と ⁴He が結合する時のエネルギーが ¹²C のある励起状態のエネルギーに非常に近いため、極く僅かではあるが下記の反応が起こる。

ここで形成された炭素12（¹²C）は安定元素で、次の核反応に使われない限り、そのまま存在する。そのためその炭素１２ (¹²C )がさらに1個のヘリウム4（⁴He）と融合して酸素16（¹⁶O）を与える融合反応が付随的に生じる。
 

 上記の水素（¹H）から炭素（¹²C）と酸素（¹⁶O）が形成される一連の過程で生じる元素のうち、水素 （¹H）、重水素 （²H）、ヘリウム3 （³He）、ヘリウム4（ ⁴He）、リチウム7（ ⁷Li）、炭素12 （¹²C）、酸素16 （¹⁶O）は安定な元素で、次の核融合反応に使われない限りそのままの元素が残る。ただし、リチウム7（⁷Li）は自ら崩壊することはしない安定元素ではあるが、中性子の衝突などによる核分裂反応を起こしやすいため、星の内部で消費され、あまり多くは残らない。上記の核融合反応で出現するその他の元素は放射性崩壊によってより安定な元素に代わって消滅する。

ある程度の大きさの星の中に水素と共に炭素と酸素が存在すると、上記の陽子－陽子連鎖反応に加えてさらに二種類の経路で水素（¹H）からヘリウム4（⁴He）が形成される。この経路はＣＮＯサイクルと呼ばれる。

ＣＮＯサイクルの一つは炭素12（¹²C）が関与するもので、下の式に示すように、4個の水素（¹H）が1個ずつ順次消費されて結果的にヘリウム4（⁴He）が形成される。最初に炭素12が消費されるが、最終的に再生されるので、炭素は触媒とみなすことができる。

 もう一つのCNOサイクルは、以下に示すもので、上記の反応の最終ステップで炭素12（¹²C）が形成される代わりに酸素17（^１７O）が形成され、さらに反応が継続し最終的に6個の水素（¹H）と炭素12（¹²C）から窒素14（¹⁴N）とヘリウム4（^４He）が形成されるものである。宇宙に存在する安定元素である窒素14（¹⁴N）は、この過程で形成されたものが主体であると考えられている。

以上の反応はではトリプルアルファ反応とそれに付随した反応による炭素（¹²C）と酸素（¹⁶O）の形成およびCNOサイクルによる窒素（¹⁴N）形成以外は、宇宙に最も多く存在する水素から2番目に多く存在するヘリウムが形成される過程が主となっている。ただしそこに登場する元素は同位体を含めると17種存在する。そのうち安定な元素は、水素、重水素、ヘリウム3、ヘリウム4、リチウム7、炭素12、炭素13、窒素14、窒素15、酸素16、酸素17であり、その他の元素（⁷Be、⁸Be、⁸B、¹³N、¹⁵O、¹⁷F）は放射性崩壊（放射性改変）によって自然に消滅する。

以上の反応で形成された安定元素は、引き続き核融合反応に使われない限り、宇宙空間に放出される。従って、この時点で有機化合物を形成する主な元素（水素、炭素、酸素、窒素）が宇宙にそろったことになる。水素からヘリウムが形成される途中に介在する最初の元素として重水素（²H又はDと表記）がある。重水素（D）の化学的性質は水素（¹H）殆ど同じで、重水素（D）が結合した星間分子には以下のものが報告されている。

HD、H₂D⁺、HDO、D₂O、DCN、DCO、DNC、N₂D⁺、NH₂D、NHD₂、ND₃、HDCO、D₂CO、CH₂DCCH、CH₃CCD、HDCS、DCCN、C₄D、_C-C₃DH