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  • 1 # 米瑪塔爾的幻想雜談

    過程很長,你看一下吧:

    1.起始——氫的聚變:

    在太陽,核心溫度是1,000萬K,氫進行的是質子-質子鏈反應:

    41H → 22H + 2e+ + 2νe(4.0 MeV + 1.0 MeV)

    21H + 22H → 23He + 2γ (5.5 MeV)

    23He → 4He + 21H (12.9 MeV)

    這些反應的總體結果是:

    41H → 4He + 2e+ + 2γ + 2νe (26.7 MeV)

    此處e+是正電子,γ是伽馬射線的光子,νe是中微子,而H和He各自是氫和氦的同位素。

    在質量更大的恆星,氦可以經由碳氮氧迴圈的反應產生。

    從0.5至10倍太陽質量的恆星,核心的溫度演化至一億度時,氦可以進行3氦過程,經由中間物質鈹轉換成碳:

    4He + 4He + 92 keV → 8*Be

    4He + 8*Be + 67 keV → 12*C

    12*C → 12C + γ + 7.4 MeV

    整體的反應式是:

    34He → 12C + γ + 7.2 MeV

    2.氖燃燒過程:

    在大質量的恆星,更重的元素在核心收縮後可以經由氖燃燒過程和氧燃燒過程產生。恆星核合成的最終階段是矽燃燒過程,結果是產生穩定的同位素鐵-56。而除了經由吸熱過程,核聚變也不能繼續產生新的元素,所以未來只能經由引力坍縮來產生進一步的能量。過程如下:

    氖燃燒過程是大質量恆星(至少8MSun)內進行的核融合反應,因為氖燃燒需要高溫和高密度(大約1.2×109 K和4×109千克/米3)

    在如此的高溫下,光致蛻變成為很重要的作用,有一些氖核會分解,釋放出α粒子:

    20Ne + γ → 16O + 4He

    這些α粒子可以被回收產生鎂-24

    20Ne + 4He → 24Mg + γ

    或者,二選一的

    20Ne + n → 21Ne + γ

    21Ne + 4He → 24Mg + n

    此處,在第一階段消耗的中子,在第二階段又再重生了。

    碳燃燒過程會將核心所有的碳幾乎都耗盡,產生氧/氖/鎂的核心。核心冷卻會造成重力的再壓縮,使密度增加和溫度上升達到氖燃燒的燃點。

    當氖燃燒時,氖會被耗盡使核心只有氧和鎂堆積著。在氖被耗盡的數年之後,核心逐步降溫、已趨於平靜,接著重力將再度擠壓核心,使密度和溫度上升直到氧融合被啟動。

    3.氧燃燒過程:

    氧燃燒過程是發生在大質量恆星內的核融合反應,使氧成為更重的元素,它需要1.5×109 K的高溫和1010 千克/米3的高密度才能進行。 主要的反應程式如下:

    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

    或二擇一

    16O + 16O → 32S + γ

    → 24Mg + 24He

    在氖燃燒,惰性的氧鎂核心已經在恆星中心形成,當氖燃燒結束後,核心會收縮並持續加熱至氧燃燒所需要的溫度和密度。大約6個月至1年的時間核心的氧就會耗盡,堆積出有豐富矽含量的核心。而一旦氧被耗盡,這個核心會因為熱度不夠而呈現惰性,核心開始降溫並觸發再次收縮。收縮會使核心的溫度上升,直到達到矽燃燒的燃點。向外,仍有氧燃燒的殼層,再往外是氖的殼層、碳殼、氦殼和氫殼。

    4.矽燃燒過程:

    一顆恆星完成氧燃燒過程後,它核心的主要成分是矽和硫。如果它有足夠的質量,它將會進一步的收縮,直到核心達到27至35億K(230-300電子伏特)。在這樣的溫度,矽和其它的元素可以光致蛻變,發射出一顆質子或是α粒子。矽燃燒引起的氦核作用會將α粒子(相當於一個氦原子核,兩個質子加上兩個中子)新增進原子核內創造出新的元素按以下的順序進行每個步驟:

    矽–28 → 硫–32 → 氬–36 → 鈣–40 → 鈦–44 → 鉻–48 → 鐵–52 → 鎳–56

    整個矽燃燒的序列大約只持續了一天,當鎳-56產生時就停止了。這顆恆星不再經由核融合釋放出能量,因為具有56個核子的原子核中的每個核子(不分質子和中子)在所有元素中具有最低的質量。雖然鐵-58和鎳-62的每個核子比鐵-56具有稍高的束縛能,但在α過程的下一步是鋅-60,每個核子的質量以有微量的增加,因此在熱力學上是不利的。鎳-56(有28個質子)的半衰期為6.02天,以β+衰變成為鈷-56(有27個質子),再以77.3天的半衰期蛻變成為鐵-56(有26個質子),但是在大質量恆星的核心內只有幾分鐘的時間可以讓鎳進行衰變。恆星已經耗盡核燃料,並且在幾分鐘內就開始收縮。重力收縮的位能會將核心加熱至5GK(430KeV),雖然這會阻止和延遲收縮,然而因為沒有額外的熱能透過新的核融合生成,收縮迅速的加快只維持幾秒鐘就坍塌了。恆星核心的部分不是被擠壓成為中子星,就是因為直量夠大而成為黑洞。恆星的外層被吹散,爆炸成為II型超新星,可以閃耀幾天到幾個月。超新星爆炸釋放和噴發出大量的中子,其中大約有半數在一秒鐘內透過稱為r-過程(此處的R代表快速中子捕獲)形成比鐵更重的元素。

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