何为质子—质子链聚变过程?

作者:数理科学

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?

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金祥彩票平台,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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宇宙中最基本的物质单元,构成了成员队伍最庞大的一种单个天体——恒星。对于其中的动力机制之奥秘所在,也是让人类疑惑了很久。今天我们就说下,量子隧穿效应和霍伊尔态是如何让恒星内核聚变持续进行下去的?

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。

走进原子核

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先看一看我们日常熟悉的各种能源吧!氢气、石油、煤炭,以及碳氢化合物,它们的能量都储藏在它们分子内部、原子之间的化学键里。在氧气和一定温度的辅助下,这些物质内的原子很乐意重新组织它们之间的关系,转变为更加稳定的分子结构。在这个重组过程中,它们会释放出能量。但是,在这种释能方式中,平均每个原子贡献出的能量只有几个电子伏。其实,所有种类的化学反应都是如此,常见燃料的例子只是其中之一。

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。

让我们深入原子的内部,透过在原子外层不断运行着的电子,我们能遇到原子核——除氢核外,它都是质子和中子的联合体。虽然将一个电子绑定于一个原子核的过程只能释放几个电子伏的能量,但将一个质子或一个中子绑定进一个原有的原子核的过程可以释放出的能量多达几百万电子伏!这种将质子和中子整合成一个原子核的力量叫作“强核力”,它可以让这些微小粒子之间的结合过程输出巨大的能量。

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。

不难想象,如果恒星以这种方式作为能量来源,那么它的释能效率将比使用常见的基于化学反应的燃料高出几百万倍,所以,太阳的寿命也可以比开尔文基于常用燃料给出的估计值长几百万倍。量子隧穿效应打破氘瓶颈

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。

稳恒态宇宙学家霍伊尔在1957年会同两位科学家以及福勒(Willie Fowler)率先发表了一篇激动人心的论文,详细论述了核聚变反应是如何在恒星的内核里发生的。

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在一颗质量足够大的恒星的内部,如果密度和温度超过一个特定的阈值,氢原子核內的质子就会融合在一起,首先变成氘,然后很快变成氦-3,进而是氦-4。每个氦-4核的诞生,都将带来2800万电子伏的能量,这个数字相当可观。这种出现在恒星核心部分的核聚变释能反应不仅可以解释太阳的发光能力,还可以解释所有主序恒星的能量来源。

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