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3氦过程

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3氦过程的回顾。
3氦过程的回顾。

3氦过程是3个原子核(α粒子)转换成原子核的过程。[1][2]

这种核聚变反应可以在超过一亿K的高温和氦含量丰富的恒星内部迅速的发生。同样的,它发生在较老年,经由质子-质子链反应碳氮氧循环产生的氦,累积在核心的恒星。在核心的氢已经燃烧完后,核心将塌缩,直到温度达到氦燃烧的燃点。

4He + 4He + 93.7 keV ↔ 8Be
8Be + 4He ↔ 12C + γ + 7.367 MeV

这个过程释放出的净能量为7.275 MeV。

在第一个阶段形成的8Be是不稳定的,会经历2.6×10-16秒就再分裂回氦,但是在氦燃烧能形成8Be的条件下,只要有微小的平衡丰度,就能再捕获一个氦原子核形成12C。这种结合三个氦原子核转换成碳的过程就称为3氦过程

由于3氦过程需要较长的时间才能形成碳,因此在太初核合成不太可能发生。此一结果可以说明大霹雳为何没有制造出,因为在大霹雳之后的一分钟,就已经低于核聚变所需要的温度了。

通常,3氦过程发生的可能性是非常低的,但是铍-8在基态的能量几乎就是氦的两倍。在第二个阶段,8Be + 4He几乎就是碳在激发态下的能量。这种共振的状态,使接踵而来的氦和铍结合成碳的可能性大为增加。这种共振的存在被观测到之前,基于物理上的必要性,为了在恒星内形成碳,弗雷德·霍伊尔就已经预测到了。实际上,这种能量共振和过程的预测然后真的被发现,对霍伊尔恒星核合成的假说:假设所有的化学元素都是从最初的氢-真正的原始物质-形成的,提供了非常重大的支持。

在过程中的一些副作用是,一些碳元素可能会和氦融合产生稳定的氧同位素,并且释放出能量:

12C + 4He → 16O + γ+ 7.162 MeV

接下来的反应链是氧会再与氦结合生成氖,但再继续下去就有困难了,因为核自旋规律的限制,结果使得更重的元素不容易在恒星核合成中形成。

这样的情状使得恒星核合成创造出来大量的碳和氧,只有一小部分能被转换成氖和其他更重的元素。氧和碳都是氦燃烧的灰烬,而人择原理曾被引用来解释碳和氧在宇宙中被敏感的核共振大量创造出来的事实。

融合的过程能创造的元素只到,更重的(在铁之外的)元素只要是由中子捕获创造的。慢中子捕获(S-过程)生产出大约一半的重元素,另外的一半则可能由快中子捕获(R-过程)在核塌缩的超新星中创造出来。

反应速率和恒星演化

3氦过程与恒星物质的温度和密度有强烈的关联性。反应速率释放出的能量与温度的比例关系是指数的30次方和密度的平方。对照于质子-质子链反应产生能量的比率祇是温度的四次方和与密度成正比。

与温度这样强烈的关联性造成恒星在演化的后期进入红巨星的阶段。

对低质量的恒星,累积在核心的氦阻挡恒星进一步塌缩的只有电子简并压力,而这种在核心的压力与温度几乎是毫无关联的。如此的结果是,一旦一颗较小的恒星开始进行3氦过程,核心在反应中不会扩展也不会冷却,只有不断的增高温度,结果是反应速率持续增加直到发生热失控的反应。这个过程就是所知道的氦闪,虽然只有不到一分钟的时间,但却能够燃烧掉核心60-80%的氦,并且导致巨大的能量释出。

对较大质量的恒星,氦燃烧在环绕着简并碳核心的壳层中进行。因为氦壳不是简并的物质,因为氦燃烧能量释放而增加的热压力造成恒星的膨胀,膨胀导致氦层温度的下降而中止了反应,于是恒星再度收缩。这种周期性的过程造成恒星剧烈的变化,并将外层的物质吹离恒星。

发现

3氦过程高度的依赖碳-12和氦-4与铍-8有能量共振的关系,而在1952年之前对这些能阶仍是一无所知的。天文物理学家弗雷德·霍伊尔使用了碳-12在宇宙中是丰富的事实,作为碳-12有共振存在的证据,霍伊尔提出了想法给核子物理学家威廉·福勒,他承认这样的能阶是可能存在的,而在过去的工作中被忽略掉了。在简要的规划之后,他在加州理工学院凯洛格辐射实验室的研究小组,就在7.65Mev附近发现了碳-12的共振。

相关条目

参考资料

  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. 
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