3氦過程

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3氦過程的回顧。

3氦過程是3個原子核(α粒子)轉換成原子核的過程。[1][2]

這種核融合反應可以在超過一億度K的高溫和氦含量豐富的恆星內部迅速的發生。同樣的,他發生在較老年,經由質子-質子鏈反應碳氮氧循環產生的氦,累積在核心的恆星。在核心的氫已經燃燒完後,核心將塌縮,直到溫度達到氦燃燒的燃點。

4He + 4He ↔ 8Be
8Be + 4He ↔ 12C + γ + 7.367 MeV

這個過程釋放出的淨能量為7.275 MeV。

在第一個階段形成的8Be是不穩定的,會經歷2.6×10-16秒就再分裂回氦,但是在氦燃燒能形成8Be的條件下,只要有微小的平衡豐度,就能再捕獲一個氦原子核形成12C。這種結合三個氦原子核轉換成碳的過程就稱為3氦過程

由於3氦過程需要較長的時間才能形成碳,因此在宇宙中是不太可能發生的。此一結果可以說明大霹靂為何沒有製造出,因為在大霹靂之後的一分鐘,就已經低於核融合所需要的溫度了。

通常,3氦過程發生的可能性是非常低的,但是鈹-8在基態的能量幾乎就是氦的兩倍。在第二個階段,8Be + 4He幾乎就是碳在激發態下的能量。這種共振的狀態,使接踵而來的氦和鈹結合成碳的可能性大為增加。這種共振的存在被觀測到之前,基於物理上的必要性,為了在恆星內形成碳,弗雷德·霍伊爾就已經預測到了。實際上,這種能量共振和過程的預測然後真的被發現,對霍伊爾恆星核合成的假說:假設所有的化學元素都是從最初的氫-真正的原始物質-形成的,提供了非常重大的支持。

在過程中的一些副作用是,一些碳元素可能會和氦融合產生穩定的氧同位素,並且釋放出能量:

12C + 4He → 16O + γ

接下來的反應鏈是氧會再與氦結合生成氖,但再繼續下去就有困難了,因為核自旋規律的限制,結果使得更重的元素不容易在恆星核合成中形成。

這樣的情狀使得恆星核合成創造出來大量的碳和氧,只有一小部分能被轉換成氖和其他更重的元素。氧和碳都是氦燃燒的灰燼,而人擇原理曾被引用來解釋碳和氧在宇宙中被敏感的核共振大量創造出來的事實。

融合的過程能創造的元素只到,更重的(在鐵之外的)元素只要是由中子捕獲創造的。慢中子捕獲(S-過程)生產出大約一半的重元素,另外的一半則可能由快中子捕獲(R-過程)在核塌縮的超新星中創造出來。

反應速率和恆星演化[编辑]

3氦過程與恆星物質的溫度和密度有強烈的關聯性。反應速率釋放出的能量與溫度的比例關係是指數的30次方和密度的平方。對照於質子-質子鏈反應產生能量的比率祇是溫度的四次方和與密度成正比。

與溫度這樣強烈的關聯性造成恆星在演化的後期進入紅巨星的階段。

對低質量的恆星,累積在核心的氦阻擋恆星進一步塌縮的只有電子簡併壓力,而這種在核心的壓力與溫度幾乎是毫無關聯的。如此的結果是,一但一顆較小的恆星開始進行3氦過程,核心在反應中不會擴展也不會冷卻,只有不斷的增高溫度,結果是反應速率持續增加直到發生熱失控的反應。這個過程就是所知道的氦閃,雖然只有不到一分鐘的時間,但卻能夠燃燒掉核心60-80%的氦,並且導致鉅大的能量釋出。

對較大質量的恆星,氦燃燒在環繞著簡併碳核心的殼層中進行。因為氦殼不是簡併的物質,因為氦燃燒能量釋放而增加的熱壓力造成恆星的膨脹,膨脹導致氦層溫度的下降而中止了反應,於是恆星再度收縮。這種週期性的過程造成恆星劇烈的變化,並將外層的物質吹離恆星。

發現[编辑]

3氦過程高度的依賴碳-12和氦-4與鈹-8有能量共振的關係,而在1952年之前對這些能階仍是一無所知的。天文物理學家弗雷德·霍伊爾使用了碳-12在宇宙中是豐富的事實,作為碳-12有共振存在的證據,霍伊爾提出了想法給核子物理學家威廉·福勒,他承認這樣的能階是可能存在的,而在過去的工作中被忽略掉了。在簡要的規劃之後,他在加州理工學院凱洛格輻射實驗室的研究小組,就在7.65Mev附近發現了碳-12的共振。

相關條目[编辑]

參考資料[编辑]

  1. ^ Editors Appenzeller, Harwit, Kippenhahn, Strittmatter, & Trimble. Astrophysics Library. Springer, New York. 3rd Edition. ISBN. 
  2. ^ Ostlie, D.A. & Carroll, B.W. An Introduction to Modern Stellar Astrophysics. Addison Wesley, San Francisco. 2007. ISBN 0-8053-0348-0.