矽燃燒過程

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燃燒過程天體物理核融合反應序列中是非常短暫的過程[1],它發生在質量至少是8-11太陽質量的恆星。對恆星而言,燃燒是大質量恆星長期以來以核融合供應能量的最後階段,是燃料耗盡的生命終點,然後她們就將離開赫羅圖上的主序帶。它之前的幾個階段是、和燃燒過程。

當重力收縮使恆星的核心溫度升高到27至35億K的高溫時,確實的溫度依據恆星的質量來決定,矽燃燒便開始了。當一顆恆星完成了矽燃燒階段之後,已經不再有燃料可供融合。恆星將發生災難式的坍塌,並且可能會爆炸成被稱為II型超新星

核融合序列和α過程[编辑]

一顆恆星完成氧燃燒過程後,它核心的主要成分是矽和硫[2]。如果它有足夠的質量,它將會進一步的收縮,直到核心達到27至35億K(230-300電子伏特)。在這樣的溫度,矽和其它的元素可以光致蛻變,發射出一顆質子或是α粒子[2]。矽燃燒引起的氦核作用會將α粒子(相當於一個氦原子核,兩個質子加上兩個中子)添加進原子核內創造出新的元素[2]按以下的順序進行每個步驟:

矽–28 → 硫–32 → –36 → –40 → –44 → –48 → –52 → –56

整個矽燃燒的序列大約只持續了一天,當鎳-56產生時就停止了。這顆恆星不再經由核融合釋放出能量,因為具有56個核子的原子核中的每個核子(不分質子和中子)在所有元素中具有最低的質量。雖然鐵-58和鎳-62的每個核子比鐵-56具有稍高的束縛能[3],但在α過程的下一步是鋅-60,每個核子的質量以有微量的增加,因此在熱力學上是不利的。鎳-56(有28個質子)的半衰期為6.02天,以β+衰變成為-56(有27個質子),再以77.3天的半衰期蛻變成為鐵-56(有26個質子),但是在大質量恆星的核心內只有幾分鐘的時間可以讓鎳進行衰變。恆星已經耗盡核燃料,並且在幾分鐘內就開始收縮。重力收縮的位能會將核心加熱至5GK(430KeV),雖然這會阻止和延遲收縮,然而因為沒有額外的熱能通過新的核融合生成,收縮迅速的加快只維持幾秒鐘就坍塌了。恆星核心的部分不是被擠壓成為中子星,就是因為直量夠大而成為黑洞。恆星的外層被吹散,爆炸成為II型超新星,可以閃耀幾天到幾個月。超新星爆炸釋放和噴發出大量的中子,其中大約有半數在一秒鐘內通過稱為r-過程(此處的R代表快速中子捕獲)形成比鐵更重的元素。

結合能(束縛能)[编辑]

結合能的曲線。

下圖顯示出各種元素的結合能,結合能經由兩種不同的途徑增加:

  1. 它是從核心中移除核子必須的能量。
  2. 當一個核子被加入核心時所釋放出來的能量。

如圖所示,當核子被加入像氫這樣的輕元素時,能釋放出極大的能量(結合能增加很多)-核融合的過程。(所以質子-質子鏈反應能長期提供恒星能量);反過來,當核子被從像鈾這樣的重元素移出時,會釋放出能量-核分裂的過程。在恆星,快速的核合成過程添加氦原子核(α粒子)形成較重的原子核。雖然盒子數58和62有最低的結合能,但4個核子的加入導致鎳-56(14個α粒子)產生的下一個元素 -鋅-60(15個α粒子)- 時,實際上是消耗能量而不是釋放能量[來源請求]。 由於核子数为58和62的原子核有著最大的束縛能,導致加入4個核子進入鎳56產生下一個元素鋅60時,實際上是消耗能量而不是釋放能量。因此鎳56是大質量恆星以核融合能產生的最後一種元素。因此,鎳-56是大質量恆星進行核融合反應的最後產物。鎳-56的衰變解釋了在金屬隕石和岩石行星的核心中有大量的鐵-56。

相關條目[编辑]

參考資料[编辑]

  1. ^ Woosley, S.; Janka, T.. The physics of core collapse supernovae. arXiv:astro-ph/0601261. 2006. 
  2. ^ 2.0 2.1 2.2 Clayton, Donald D. Principles of Stellar Evolution and Nucleosynthesis. University of Chicago Press. 1983: 519–524. ISBN 9780226109534. 
  3. ^ Citation: The atomic nuclide with the highest mean binding energy, Fewell, M. P., American Journal of Physics, Volume 63, Issue 7, pp. 653–658 (1995). Click here for a high-resolution graph, The Most Tightly Bound Nuclei, which is part of the Hyperphysics project at Georgia State University.

外部鏈結[编辑]