談=氫ᨐ論=氦(中篇)
(清風讀書筆記於2020年8月31日)
(計算機模擬下的真空漲落模型)
13.量子漲落(真空漲落):
量子泡沫,也叫時空泡沫,是惠勒1955年根據量子力學提出的概念。量子泡沫是極小尺度下,即普朗克尺度數量級別下,不確定關係,使粒子和能量瞬間產生,又瞬間消失。隨著時空尺度縮小,虛粒子能量會增加。量子泡沫由真空漲落而引起,只有在微觀尺度上才能顯現這種特徵,但在宏觀尺度下觀測相對平滑的時空,會發生顯著性偏離。
[波函數ψ(x,y,iy):y=cosx,iy=i★sinx]
1928年,狄拉克提出相對論電子運動方程,預言了正電子與反粒子的存在,引出了 「真空不空」 的實際意義。真空不再是虛無的空間,而是由 「負能態」 所充滿的能量狀態,這也是正反粒子所達到的平衡狀態。
(狄拉克提出相對論電子運動方程)
真空的漲落,表現為正、反粒子不斷地產生和湮滅,根據測不準關係,區域越小,漲落越大。時間和能量是一對滿足測不準關係的共軛量。因而能量守恆定律,會在短時間內被違背。時間越短,偏離守恆能量越大,會產生質量更大的正反粒子。用衝激函數描述守恆能量的偏離程度。
(狄拉克把衝激函數應用於量子力學)
14.引力囚禁:
質量越大的正反粒子,其壽命也越短。例如,質量很小的 「上夸克和下夸克」,壽命很長,可以構成穩定的質子和中子;再由質子、中子和電子構成穩定的 「氫原子」。而質量超重的 「頂夸克和底夸克」,壽命很短,不能做為構建 「氫原子」 的原材料。但是否可以做為構建 「暗物質」的原材料呢?雖然沒有證據,但也不敢說絕對不可能。(註:頂夸克質量是上夸克質量的78681.81倍;底夸克質量是下夸克質量的889.36倍。)
(愛因斯坦廣義相對論,其引力場的時空背景,屬於彎曲的黎曼非歐幾何。時空經緯線,沒有平行線。非歐幾何比歐氏幾何,更具有 「普適性意義」。牛頓引力效應建立在歐式幾何框架內,具有很大的局限性。)
暗物質,多集中於 「星系核心或星團引力源」,引力強大到令人難以置信,「頂夸克和底夸克」 在強大引力囚禁或禁閉下,會進入超穩定狀態,其壽命變得很長很長。我們沒有理由認為:宇宙中不存在 「引力囚禁」 的可能性。
同理,超鈾元素都是超重元素,例如原子序號為118號元素Og(讀 ào),在小質量地球或月球上,穩定性極差,半衰期極短,存活時間只有0.9毫秒(1秒=1000毫秒)。但在大質量冷寂大行星體內,有可能遭受「引力囚禁」,簡直就是「穩定島」。Og元素很可能超強穩定,其壽命會延長到數億年之久也說不定。
15.電子遷移和湮滅:
(能量低的電子,在距離原子核近處運動;只有能量高的電子,才能到達離核較遠的高能量軌道運動。)
一個平靜於虛空的電子,根本就不平靜。在電子的周圍存在著很多活躍的鄰居,但鄰居電子與正電子正在肇生與湮滅。光子正在誕生與消亡。正反重粒子也在不斷地創生與毀滅。孤立的電子(e⁻)帶負電荷,是沸騰的火山口,必須與帶正電荷的質子(p⁺)相匹配,才會立馬平靜下來。
(已被天文觀測所證實:中子星互旋,會產生相對論預言的引力波。)
電子與質子的共軛能量,共同構成氫原子內強大的電磁場。夸克與膠子的共軛能量,共同構成質子或中子內更加強大的核力場。氫原子和物質分子的共同質量,決定了恆星或星系那超強大的引力場。幹擾電磁場的振蕩,會產生電磁波;幹擾中子星的互旋,會產生引力波。
16.氫核聚變反應:
①¹H + ¹H→ ²H(氘) + n + ν(中微子)
②²H + ¹H→ ³He (³氦)+ r(伽瑪射線)
③³He + ³He→ ⁴He (⁴氦)+2¹H(氫)
(氫核聚變成氦核的鏈式反應過程示意圖)
在氫核(H)聚變中,最難氕氕聚變,其次氘氘聚變,最容易氘氚聚變。在氘-氚聚變中:
第一步必須創造10萬K高溫條件,把氘-氚混合氣體加熱到等離子態,使得電子完全脫離原子核的束縛,讓原子核高速旋轉,自由裸奔運動,才有機會發生原子核直接接觸。
第二步,由於所有原子核都帶正電,按照 &34; 原理,兩個原子核要想聚在一起,必須克服強大的靜電斥力。兩個原子核靠得越近,靜電斥力越 大。必須提供1億K↑的高溫條件,使兩核距離壓縮到3×10^-12毫米以內(飛米級別),靜電斥力被粉碎,核力(強相互作用)佔上鋒,兩核聚成一核,並釋放出1個中子和17.6MeV能量。
(新元素周期表已經收集到118種元素)
17.氦核作用 (又稱α反應):
氦核聚有兩種:
①把恆星的氦核(⁴He)轉換成重元素;
②3氦過程(即3α反應)。 當3氦反應進行時,只需氦的參與,一旦有碳(¹²C)產生,能將消耗氦的核反應進行到底。例如:
(氦核作用產生新元素的全過程)
①¹²C + ⁴He→ ¹⁶O氧 +г +7.61MeV
②¹⁶O + ⁴He→ ²⁰Ne氖 +r + 4.73MeV
③ ²⁰Ne + ⁴He→ ²⁴Mg鎂 +r + 9.31Me∨
④²⁴Mg + ⁴He→ ²⁸Si矽 +r + 9.98MeV
⑤²⁸Si矽 + ⁴He→ ³²S硫 +r + 6.98Me∨
⑥³²S + ⁴He→ ³⁶Ar氬 +r (伽瑪射線)
⑦ ³⁶Ar + ⁴He→ ⁴⁰Ca鈣 +r
⑧⁴⁰Ca + ⁴He→ ⁴⁴Ti鈦 +r
⑨⁴⁴Ti + ⁴He→ ⁴⁸Cr鉻 +r
⑩⁴⁸Cr + ⁴He→ ⁵²Fe鐵 +r
⑩①⁵²Fe + ⁴He→ ⁵⁶Ni鎳 +r
反應過程:
氦-4 → 鈹-8 → 碳-12 → 氧-16 → 氖-20 → 鎂-24 → 矽–28 → 硫–32 → 氬–36 → 鈣–40 → 鈦–44 → 鉻–48 → 鐵–52 → 鎳–56。鎳-56是大質量恆星以核聚變能產生的最後一種元素。
(大質量恆星,由氫氦聚變出各種新元素的結構分布示意圖。)
18.碳核聚變反應:
氦核聚變,又稱氦核融合,是3氦(3 ⁴He)過程,即由3個氦原子核轉換成碳(¹²C)原子核的過程。這種核聚變反應要求在1億K↑的高溫條件下,並且氦豐度也很高的恆星內部迅速進行。氦核聚變,多發生於老齡恆星,經由 「質子-質子鏈式反應」 和 「碳氮氧循環」 產生的氦,累積在恆星的核心。在核心的氫已經燃燒殆盡,核心塌縮,直到溫度達到氦燃燒的臨界值。
碳核聚變,多發生於大質量恆星,即恆星質量>4⊙(太陽質量)。它能創造核反應所需高溫6×10^8K和高密度2×10^8kg/cm³。碳聚變主要過程有兩種:
①¹²C + ¹²C(碳)
→²⁰Ne(氖) +⁴He (氦)+ 4.617 MeV
→ ²³Na(鈉) + ¹H (氫)+ 2.241 MeV
→ ²⁴Mg (鎂)+ n(中子) - 2.599 MeV②¹²C + ¹²C(碳)
→²⁴Mg(鎂) + r(伽瑪射線)
→¹⁶O(氧) +2 ⁴He(氦) - Q(吸熱)
(雙碳聚變成鈉鎂的示意圖)
大質量恆星內部的熱核聚變反應,直至鐵核誕生,便戛然而止,不再進行下去了。為什麼呢?因為碳聚核鏈式反應,最後生成鐵鎳合金,但鐵豐度高於鎳豐度。鐵鎳的吸熱過程遠大於放熱過程,最後燈枯油盡,火滅熱寂,恆星殘骸是鐵蛋(白矮星)。白矮星冷寂坍縮成黑星。黑星吞噬物質,質量足夠大,將坍縮成黑洞。
鐵鎳再往後的元素,通過超新星爆炸生成。地球天然元素94種。再往後的元素,必須人工合成。2015年12月美國實驗室確認了118號元素(Og)可以人工合成,2017年1月正式宣布把118號元素列入《元素周期表》。然而119號元素還沒有人工合成出來,美俄聯合團隊正在攻關之中。
[(118號元素的中文名和電子排布規律)