Der Bethe-Weizsäcker-Zyklus oder CNO-Zyklus fusioniert Wasserstoff zu Helium und tritt vor allem in massereichen Sternen auf.
Genau wie bei der pp-Kette werden durch den CNO-Zyklus insgesamt vier Wasserstoffkerne (Protonen) zu einem Heliumkern (je zwei Protonen und Neutronen) fusioniert.
Im Gegensatz zur pp-Kette handelt es sich dabei nicht um eine einmalig ablaufende Kette von Reaktionen, sondern um einen zyklischen Prozess – sobald er abgeschlossen ist, startet der nächste Durchlauf.
Wichtig ist, dass beim CNO-Zyklus ein Kohlenstoffkern als Katalysator dient. Er wird bei der Fusion mit freien Wasserstoffkernen zu anderen Elementen umgewandelt, geht aber am Ende unverändert aus dem Zyklus-Durchlauf hervor.
Die grafische Veranschaulichung bietet einen kurzen Überblick über einen einzelnen Durchlauf. Gestartet wird der Zyklus bei \(^{12}\mathrm{C}\) oben in der Mitte.
Besitzt ein Kohlenstoffkern insgesamt 12 Nukleonen, also Protonen und Neutronen, spricht man von Kohlenstoff-12. Bei der Fusion eines solchen Kohlenstoff-12-Kerns mit einem Wasserstoffkern entsteht ein Stickstoff-Kern. Mit dem hinzugekommenen Proton weist der Kern ein weiteres Nukleon auf, weswegen es sich um das Isotop Stickstoff-13 handelt.
Diese Reaktion setzt ein Gammaquant \(\mathrm{\gamma}\) frei und lässt sich mit $$^{12}\mathrm{C} + ^1\mathrm{H} \rightarrow{} ^{13}\mathrm{N} + \mathrm{\gamma} + 1,95 MeV$$ beschreiben. Aufgrund seiner Instabilität zerfällt der Stickstoff-13-Kern zu einem Kohlenstoff-13-Kern. Dabei wird ein Proton zu einem Neutron umgewandelt, ein Vorgang, bei dem neben einem Positron \(\mathrm{e}^+\) auch ein Elektron-Neutrino \(\mathrm{\nu}_e\) freigesetzt wird: $$^{13}\mathrm{N} \rightarrow{} ^{13}\mathrm{C} + \mathrm{e}^+ + \mathrm{\nu}_e + 1,37 MeV$$
Der entstandene Kohlenstoff-13-Kern kollidiert mit einem zweiten Wasserstoffkern und setzt erneut Gammastrahlung frei, das Ergebnis ist Stickstoff-14. $$^{13}\mathrm{C} + ^1\mathrm{H} \rightarrow{} ^{14}\mathrm{N} + \mathrm{\gamma} + 7,54 MeV$$
Dieser Vorgang, also die Fusion mit einem Wasserstoffkern, wiederholt sich ein weiteres Mal. Unter erneuter Emission eines Gammaquants wird aus dem Stickstoff-14-Kern schließlich Sauerstoff-15. $$^{14}\mathrm{N} + ^1\mathrm{H} \rightarrow{} ^{15}\mathrm{O} + \mathrm{\gamma} + 7,35 MeV$$
Allerdings handelt es sich bei Sauerstoff-15 um ein instabiles Isotop, sodass es genau wie beim Stickstoff-13-Kern zum Zerfall kommt. Nach dem Zerfall, bei dem abermals ein Positron und ein Elektron-Neutrino entstehen, liegt Stickstoff-15 vor. $$^{15}\mathrm{O} \rightarrow{} ^{15}\mathrm{N} + \mathrm{e}^+ + \mathrm{\nu}_e + 1,86 MeV$$
Im letzten Schritt des Durchlaufs wird das eigentliche Helium gewonnen. Der Stickstoff-15-Kern fusioniert mit einem vierten Wasserstoffkern. Im Gegensatz zu den vorherigen Reaktionen mit einem Proton wird dabei keine Gammastrahlung emittiert. Stattdessen zerfällt das Gebilde in einen Kohlenstoffkern und einen Heliumkern \(^4\mathrm{He}\). $$^{15}\mathrm{N} + ^1\mathrm{H} \rightarrow{} ^{12}\mathrm{C} + ^4\mathrm{He} + 4,96 MeV$$
Zum Schluss liegen also ein Kohlenstoff-12-Kern und ein abgespalteter Helium-4-Kern vor, womit der Durchlauf beendet ist und der Kohlenstoff für die nächsten Zyklen bereitsteht.
Für Sterne der Hauptreihe ist die pp-Kette der wichtigste Mechanismus zur Energiegewinnung. Mit ihr werden Wasserstoffkerne zu Helium fusioniert.
In den späten Phasen seiner Entwicklung kann ein Stern eine weitere Energiequelle erschließen: Die Fusion von Helium zu Kohlenstoff.
Beträgt die Masse eines Sterns mindestens 4 Sonnenmassen, setzt bei hohen Temperaturen die Fusion von Kohlenstoff ein.