何为质子—质子链聚变经过?

 数理科学     |      2019-12-17 08:50

1938年贝克和魏茨泽克发现的太阳碳循环产能过程必须有催化元素碳。但是,第一代恒星及宇宙大爆炸后由氢和氦形成的恒星,并没有碳元素。那么,它们的产能过程又如何呢?

元素周期表上已经列有超过110种不同的化学元素,各种元素所具有的各不相同的物理、化学性质,造就了我们这个多姿多彩的、充满生命力的世界。然而,这些化学元素是怎么来的呢?

还是在1938年,汉斯·贝克和查理斯·克里奇菲尔德又找到恒星的另一条产能过程。两个氢核相撞生成氢的同位素氘,并放出一个正电子和一个中微子;D再与一个氢核相撞,生成氦的同位素,并放出能量;两个He3相撞,生成氦核并放出两个氢核。这被称为“质子—质子链”。在这个链式反应中,4个氢核聚合成了1个氦核。

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第一代恒星的氢聚变过程必须是质子—质子链反应,即使不是第一代恒星的太阳,质子—质子链也是一个更主要的产能过程。

在回答这个问题之前,我们要对原子的结构做一个简单的介绍。现代的原子模型奠基于20世纪初卢瑟福的阿尔法粒子撞击实验。现在我们知道,原子的质量集中在一个很小的原子核当中,原子核内包含了带正电的质子与不带电的中子。在原子核外通常环绕着一些带负电的电子。

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在中性的原子内,电子数与质子数相等,有时电子数会稍多于或少于质子数,我们通常将其分别称为负离子。各种元素原子的差异在于原子核内的质子数不同,因而影响到电子组态乃至化学性质的不同。比如说,碳原子核有6个质子而氮原子核有7个质子,造成这两种元素在化学性质上的极大差异。质子数相同但中子数不同的原子称为同位素,例如氢与氘都含有一个质子,但氘原子核还包含了一个中子。同位素原子的大部分化学性质非常类似。

从天文观测中我们知道,这些种类丰富的元素并不是地球上所独有的,而分布在宇宙的各个角落。并且很明显的,大部分的元素已经存在非常久的时间了。因此,要了解这些元素的起源,我们必须从宇宙发展的历史谈起。

自1929年天文学家哈勃发现宇宙持续膨胀的现象之后,科学家一般都认为宇宙起源于一次大爆炸,时间大约在137亿年前,一切的物质、能量、时间都由此产生。一般认为,大爆炸发生的那一瞬间,宇宙只有强烈的辐射能量而没有任何物质。在大爆炸之后约0.0001秒左右,宇宙温度降至1012开,此时,宇宙中的质子与中子脱离与宇宙射线的平衡而成形。到了大爆炸之后4秒左右,温度降至1010开以下,宇宙中的电子也脱离与宇宙射线的平衡而成形。至此,构成原子的基本粒子已经出现,但由于温度太高,宇宙中尚无重于氢的稳定原子核,到处都是高速运动的质子、中子、电子,以及非常高能量的宇宙射线。

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在宇宙形成大约3分钟后,质子与中子开始可以结合成重氢的原子核而不立刻被光子分解。接下来,一连串的核反应将绝大部分重氢快速转变成包含2个质子及2个中子的稳定氦原子核。不过,比氦更重的原子核此时不易形成,因为自然定律中不容许有原子量为5或8的稳定原子核存在;缺乏这些作为桥梁的原子核,更重的原子核难以快速形成。

宇宙仍持续膨胀、冷却,在宇宙生成大约30分钟后,大爆炸产生的核反应完全停止。此时,宇宙中的物质以质量而言,质子约占75%、氦原子核约占25%,还有大量很轻的电子以及非常微量的重氢及锂原子核。此时的宇宙温度仍然非常高,强大的宇宙射线使电子无法停留在固定的原子核上,物质主要以单原子离子的状态存在。由于自由运动的电子很容易散射光线,此时的宇宙处于名副其实的混沌状态,光子无法自由穿越,辐射场与物质间不断地进行能量交换。这种情况一直持续到大爆炸发生大约40万年后,当宇宙的温度降到了约1万摄氏度以下,电子才开始能与原子核结合,形成中性的原子,宇宙也在此时变得透明,辐射场与物质间的作用大幅降低,引力开始逐渐塑造新的宇宙结构。

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