恒星的核聚变过程 核聚变是怎么从氢变成铁的?

恒星的核聚变过程 核聚变是怎么从氢变成铁的?
恒星的核聚变过程 核聚变是怎么从氢变成铁的?

恒星的核聚变过程 核聚变是怎么从氢变成铁的?
你看一下吧：
1.起始——氢的聚变：
在太阳,核心温度是1,000万K,氢进行的是质子-质子链反应：
41H → 22H + 2e+ + 2νe（4.0 MeV + 1.0 MeV）
21H + 22H → 23He + 2γ (5.5 MeV)
23He → 4He + 21H (12.9 MeV)
这些反应的总体结果是：
41H → 4He + 2e+ + 2γ + 2νe (26.7 MeV)
此处e+是正电子,γ是伽马射线的光子,νe是中微子,而H和He各自是氢和氦的同位素.
在质量更大的恒星,氦可以经由碳氮氧循环的反应产生.
从0.5至10倍太阳质量的恒星,核心的温度演化至一亿度时,氦可以进行3氦过程,经由中间物质铍转换成碳：
4He + 4He + 92 keV → 8*Be
4He + 8*Be + 67 keV → 12*C
12*C → 12C + γ + 7.4 MeV
整体的反应式是：
34He → 12C + γ + 7.2 MeV
2.氖燃烧过程：
在大质量的恒星,更重的元素在核心收缩后可以经由氖燃烧过程和氧燃烧过程产生.恒星核合成的最终阶段是硅燃烧过程,结果是产生稳定的同位素铁-56.而除了经由吸热过程,核聚变也不能继续产生新的元素,所以未来只能经由引力坍缩来产生进一步的能量.
氖燃烧过程是大质量恒星（至少8MSun）内进行的核融合反应,因为氖燃烧需要高温和高密度（大约1.2×109 K和4×109千克/米3）
在如此的高温下,光致蜕变成为很重要的作用,有一些氖核会分解,释放出α粒子：
20Ne + γ → 16O + 4He
这些α粒子可以被回收产生镁-24
20Ne + 4He → 24Mg + γ
或者,二选一的
20Ne + n → 21Ne + γ
21Ne + 4He → 24Mg + n
此处,在第一阶段消耗的中子,在第二阶段又再重生了.
碳燃烧过程会将核心所有的碳几乎都耗尽,产生氧/氖/镁的核心.核心冷却会造成重力的再压缩,使密度增加和温度上升达到氖燃烧的燃点.
当氖燃烧时,氖会被耗尽使核心只有氧和镁堆积著.在氖被耗尽的数年之后,核心逐步降温、已趋于平静,接着重力将再度挤压核心,使密度和温度上升直到氧融合被启动.
3.氧燃烧过程：
氧燃烧过程是发生在大质量恒星内的核融合反应,使氧成为更重的元素,它需要1.5×109 K的高温和1010 千克/米3的高密度才能进行.主要的反应程序如下：
16O + 16O → 28Si + 4He + 9.594 MeV
→ 31P + 1H + 7.678 MeV
→ 31S + n + 1.500 MeV
→ 30Si + 21H + 0.381 MeV
→ 30P + 2D - 2.409 MeV
或二择一
16O + 16O → 32S + γ
→ 24Mg + 24He
在氖燃烧,惰性的氧镁核心已经在恒星中心形成,当氖燃烧结束后,核心会收缩并持续加热至氧燃烧所需要的温度和密度.大约6个月至1年的时间核心的氧就会耗尽,堆积出有丰富硅含量的核心.而一旦氧被耗尽,这个核心会因为热度不够而呈现惰性,核心开始降温并触发再次收缩.收缩会使核心的温度上升,直到达到硅燃烧的燃点.向外,仍有氧燃烧的壳层,再往外是氖的壳层、碳壳、氦壳和氢壳.
4.硅燃烧过程：
一颗恒星完成氧燃烧过程后,它核心的主要成分是硅和硫.如果它有足够的质量,它将会进一步的收缩,直到核心达到27至35亿K（230-300电子伏特）.在这样的温度,硅和其它的元素可以光致蜕变,发射出一颗质子或是α粒子.硅燃烧引起的氦核作用会将α粒子（相当于一个氦原子核,两个质子加上两个中子）添加进原子核内创造出新的元素按以下的顺序进行每个步骤：
硅–28 → 硫–32 → 氩–36 → 钙–40 → 钛–44 → 铬–48 → 铁–52 → 镍–56
整个硅燃烧的序列大约只持续了一天,当镍-56产生时就停止了.这颗恒星不再经由核融合释放出能量,因为具有56个核子的原子核中的每个核子（不分质子和中子）在所有元素中具有最低的质量.虽然铁-58和镍-62的每个核子比铁-56具有稍高的束缚能,但在α过程的下一步是锌-60,每个核子的质量以有微量的增加,因此在热力学上是不利的.镍-56（有28个质子）的半衰期为6.02天,以β+衰变成为钴-56（有27个质子）,再以77.3天的半衰期蜕变成为铁-56（有26个质子）,但是在大质量恒星的核心内只有几分钟的时间可以让镍进行衰变.恒星已经耗尽核燃料,并且在几分钟内就开始收缩.重力收缩的位能会将核心加热至5GK（430KeV）,虽然这会阻止和延迟收缩,然而因为没有额外的热能通过新的核融合生成,收缩迅速的加快只维持几秒钟就坍塌了.恒星核心的部分不是被挤压成为中子星,就是因为直量够大而成为黑洞.恒星的外层被吹散,爆炸成为II型超新星,可以闪耀几天到几个月.超新星爆炸释放和喷发出大量的中子,其中大约有半数在一秒钟内通过称为r-过程（此处的R代表快速中子捕获）形成比铁更重的元素.