主序星中的核反應

2021-01-08 銀河說

作者:晉童 銀河說原創

原文發於知乎問題:恆星在主序帶時,核心進行核反應產生什么元素,並寫出核反應方程式?

主序星中進行的一般是氫聚變為氦的核反應,生成的元素是氦。

本文包括:反應過程、一句MMP、後續反應 三部分

一、反應過程

對於第一代恆星,它們在開始燃燒時只有大爆炸生成的氫和氦,只能通過質子質子循環進行氫燃燒。但對於第二代和第三代恆星(如太陽),它們在開始氫燃燒時星雲中含有少量前一代恆星爆炸後遺留下來的重元素碳和氮,因此氫(質子)可以在碳、氮、氧的催化劑作用下生成氦(*He),反應前後,碳、氮、氧保持不變。

(*註:重元素:此處指除氫、氦以外的其他元素)

1938年,英國物理學家貝特和德國物理學家魏茨澤克分別發現了發生於恆星內部的兩種氫聚變為氦的熱核反應(另一說是魏茨澤克於1937年提出,貝特於1938年提出)。

一種叫質子-質子反應,共分為三步:

另一種叫碳-氮-氧循環:

註:當溫度高於1.7×107K時,該循環反應稍有變化,循環的最後一步由四個反應代替,但最後仍是產生氦核。

因為有兩個循環,所以上述的反應也稱為碳氮氧雙循環。

碳在該過程中總量不變,只作為催化劑存在;氮和氧也只是中間產物。

當溫度為1000萬K時,主要是質子-質子反應;而當溫度高到已經開始有氦原子核聚變為碳原子核時,碳循環成為主要的過程。

比如在太陽內部,有超過98%的能源來自質子-質子反應,1.7%的能源來自碳循環。

但無論發生的是兩者中的哪種反應,整體來看是反應4個氫原子核,生成1個氦原子核和3個光子、2個正電子和2個中微子。

4個氫原子核到1個氦原子核這一過程中損失掉的能量,正是恆星維持輻射所需的能量。

二、一句MMP

比較有意思的是,英國物理學家貝特在1967年因1938年提出恆星內部產能機理的研究成果獲得諾貝爾獎,德國物理學家魏茨澤克在同年(甚至有說法是早一年)提出,兩人互不影響、分別提出,按理說應共同獲得諾貝爾獎,魏茨澤克卻沒有被提名。

魏茨澤克心中有句MMP,不知當講不當講。

三、後續過程

當恆星中心的氫基本聚變為氦後,氫核聚變反應停止,恆星中心收縮,溫度和壓力升高,可引發氦聚變為碳的反應。通常當氦聚變為碳的反應開始後,恆星就會離開主星序,向赫羅圖的右上方移動,進入紅巨星或紅超巨星區域。此時的恆星已經不是主序星了。

聚變反應在變化,其內核也在不斷變化

外層收縮後反彈,超新星爆發

關於恆星演化的具體過程,可以參考前幾天剛做的這幅恆星演化圖。

作者:晉童

文中圖片除後五張外,均來自網絡;倒數第五到倒數第二張圖片來自aether.lbl.gov;最後一張圖片來自銀河說

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