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核天体物理学

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核天体物理学(nuclear astrophysics)是天體物理學核物理學交叉學科[1],主要研究的領域有恆星結構,天體質量與其壽命的關係等,並從中了解恆星如何產生能量,認識化學元素的起源和演变與,分析驱动天体物理现象的机制[2]

歷史[编辑]

19世紀許多物理學家,如邁耶沃特森馮亥姆霍茲開爾文勳爵等,認為太陽的能量來自於重力勢能,但是利用維裡定理推算太陽的年齡只有19萬年,遠小於地球的年齡。然而在贝克勒尔還沒在1895年發現放射線[3]相對論量子論也未被提出的時候,此問題無法獲得解決。

1920年,愛丁頓提出太陽裡的質子經由某種過程蜕变成氦核,並產生巨大能量[4],1938年,德國物理學家卡爾·馮·魏茨澤克[5]經由計算,得出氫原子經過四步核融合反應可形成氦[6]

1939年,美國天文學家漢斯·貝特[7]認為氫融合成氦有兩種過程。第一種是質子﹣質子鏈反應,是質量與太陽相似或比太陽輕的恆星產生能源的主要過程;第二種是碳氮氧循環,是質量比太陽大恆星的主要能源;這些反應產生的能量能持續維持恆星內部的高熱[8]

1946年,英國天文學家弗雷德·霍伊爾提出高溫的恆星最終可創造出元素,並在1954年導出核融合的步驟,表現出恆星如何合成從碳至鐵的元素[9]

1957年,威廉·福勒玛格丽特·伯比奇傑佛瑞·伯比奇弗雷德·霍伊尔一起写的《恒星内部的元素合成》,描述恒星内部通过核合成的反应而形成元素的过程[10][11],並列舉出重元素被觀測到的豐度分佈情況。福勒開創了核天体物理学的研究,[12]他也因此論文獲得1983年的诺贝尔物理学奖

理論與應用[编辑]

除了少數較輕的元素,如等,其他的元素都是在恆星內產生的,恆星內部有核融合反應,將較輕的元素組成較重的元素,此過程因質量虧損而產生巨大能量,成為恆星能量的來源。

恆星核合成理論預測了太陽系從氫到鈾的豐度.[13]

太陽系裡的元素豐度(從氫到).氫跟氦的豐度最高[14]

參考來源[编辑]

  1. ^ 核天体物理学──核物理和天体物理的相互影响
  2. ^ 核天体物理研究组 - 中国科学院近代物理研究所
  3. ^ Henri Becquerel. Sur les radiations émises par phosphorescence. Comptes Rendus. 1896, 122: 420–421.  See also a translation by Carmen Giunta
  4. ^ Eddington, A. S. The sources of stellar energy. The Observatory. 1919, 42: 371–376. Bibcode:1919Obs....42..371E. 
  5. ^ C. F. von Weizsäcker. Physik. Zeitschr. 39 (1938) 633.
  6. ^ von Weizsäcker, C. F. Über Elementumwandlungen in Innern der Sterne II [Element Transformation Inside Stars, II]. Physikalische Zeitschrift. 1938, 39: 633–646. 
  7. ^ H. A. Bethe. Physical Review 55 (1939) 436.
  8. ^ Bethe, H. A. Energy Production in Stars. Physical Review. 1939, 55 (5): 434–56. Bibcode:1939PhRv...55..434B. doi:10.1103/PhysRev.55.434. 
  9. ^ 太陽系的前世今生 (215):氘-氚核融合
  10. ^ E. M. Burbidge; G. R. Burbidge; W. A. Fowler & F. Hoyle. Synthesis of the Elements in Stars. Reviews of Modern Physics. 1957, 29 (4): 547. Bibcode:1957RvMP...29..547B. doi:10.1103/RevModPhys.29.547. 
  11. ^ Cameron, A.G.W. Stellar Evolution, Nuclear Astrophysics, and Nucleogenesis (PDF). Atomic Energy of Canada. 1957. 
  12. ^ Barnes, C. A.; Clayton, D. D.; Schramm, D. N. (编), Essays in Nuclear Astrophysics, Cambridge University Press, 1982, ISBN 0-52128-876-2 
  13. ^ Suess, Hans E.; Urey, Harold C. Abundances of the Elements. Reviews of Modern Physics. 1956, 28 (1): 53. Bibcode:1956RvMP...28...53S. doi:10.1103/RevModPhys.28.53. 
  14. ^ Massimo S. Stiavelli. From First Light to Reionization. John Wiley & Sons, Apr 22, 2009. Pg 8.