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3氦過程
鎖定
- 中文名
- 3氦過程
- 外文名
- Triple-alpha process
- 氦過程
- 3個α粒子轉換成碳原子核的過程
- 釋放的淨能量
- 7.275 MeV
- 發 現
- 在7.65Mev附近發現了碳-12的共振
3氦過程簡介
這種核聚變反應可以在超過一億K的高温和氦含量豐富的恆星內部迅速的發生。同樣的,它發生在較老年,經由質子-質子鏈反應和碳氮氧循環產生的氦,累積在核心的恆星。在核心的氫已經燃燒完後,核心將塌縮,直到温度達到氦燃燒的燃點。
- Be +He ↔C + γ + 7.367MeV
這個過程釋放出的淨能量為7.275 MeV。
在第一個階段形成的Be是不穩定的,會經歷2.6×10-16秒就再分裂回氦,但是在氦燃燒能形成Be的條件下,只要有微小的平衡丰度,就能再捕獲一個氦原子核形成C。這種結合三個氦原子核轉換成碳的過程就稱為3氦過程。
通常,3氦過程發生的可能性是非常低的,但是鈹-8在基態的能量幾乎就是氦的兩倍。在第二個階段,Be +He幾乎就是碳在激發態下的能量。這種共振的狀態,使接踵而來的氦和鈹結合成碳的可能性大為增加。這種共振的存在被觀測到之前,基於物理上的必要性,為了在恆星內形成碳,弗雷德·霍伊爾就已經預測到了。實際上,這種能量共振和過程的預測然後真的被發現,對霍伊爾恆星核合成的假説:假設所有的化學元素都是從最初的氫-真正的原始物質-形成的,提供了非常重大的支持。
在過程中的一些副作用是,一些碳元素可能會和氦融合產生穩定的氧同位素,並且釋放出能量:
- C +He →O+ γ+ 7.162 MeV
接下來的反應鏈是氧會再與氦結合生成氖,但再繼續下去就有困難了,因為核自旋規律的限制,結果使得更重的元素不容易在恆星核合成中形成。
融合的過程能創造的元素只到鐵,更重的(在鐵之外的)元素只要是由中子捕獲創造的。慢中子捕獲(S-過程)生產出大約一半的重元素,另外的一半則可能由快中子捕獲(R-過程)在核塌縮的超新星中創造出來。
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3氦過程反應速率和恆星演化
3氦過程與恆星物質的温度和密度有強烈的關聯性。反應速率釋放出的能量與温度的比例關係是指數的30次方和密度的平方。對照於質子-質子鏈反應產生能量的比率祇是温度的四次方和與密度成正比。
與温度這樣強烈的關聯性造成恆星在演化的後期進入紅巨星的階段。
對低質量的恆星,累積在核心的氦阻擋恆星進一步塌縮的只有電子簡併壓力,而這種在核心的壓力與温度幾乎是毫無關聯的。如此的結果是,一旦一顆較小的恆星開始進行3氦過程,核心在反應中不會擴展也不會冷卻,只有不斷的增高温度,結果是反應速率持續增加直到發生熱失控的反應。這個過程就是所知道的氦閃,雖然只有不到一分鐘的時間,但卻能夠燃燒掉核心60-80%的氦,並且導致巨大的能量釋出。
對較大質量的恆星,氦燃燒在環繞着簡併碳核心的殼層中進行。因為氦殼不是簡併的物質,因為氦燃燒能量釋放而增加的熱壓力造成恆星的膨脹,膨脹導致氦層温度的下降而中止了反應,於是恆星再度收縮。這種週期性的過程造成恆星劇烈的變化,並將外層的物質吹離恆星。
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3氦過程發現
3氦過程高度的依賴碳-12和氦-4與鈹-8有能量共振的關係,而在1952年之前對這些能階仍是一無所知的。天文物理學家弗雷德·霍伊爾使用了碳-12在宇宙中是豐富的事實,作為碳-12有共振存在的證據,霍伊爾提出了想法給核子物理學家威廉·福勒,他承認這樣的能階是可能存在的,而在過去的工作中被忽略掉了。在簡要的規劃之後,他在加州理工學院凱洛格輻射實驗室的研究小組,就在7.65Mev附近發現了碳-12的共振。
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