第七章能量来源及元素合成及Fe重元素.ppt

爱因斯坦质能关系 ： E=mc2 每次氢聚变反应放出4.12×10－12焦耳 1克氢的聚变： 6.21×1011焦耳 可使1500吨水从0度加热到100度 太阳质量＝4×1033克，70％为氢 若其一半聚变为氦，足用350亿年 太阳中的产能区 氢聚变为氦的反应只有在1千多万度的高 温下才能有效地进行。太阳内部的温度是 由中心在外逐渐降低的。只有中心附近的 一个约为太阳半径的1/10的区域可进行氢 聚变核反应。 产能核心每秒钟产生约 4×1026焦耳的能 量，正好和目前观测到的太阳辐射相当。 福勒 福勒1933年就读于俄亥俄州立 大学工程物理系。1936年他在加 州理工学院获哲学博士学位。一 直在加州理工学院凯洛格福辐射 实验室工作。  4，质子－质子反应和 “ 碳－氮一氧循环” 氢核聚变为氦核 最简单的聚变反应 4个质子＋2个电子同时碰在一起 太困难了。 质子之间的静电斥力和它们之间的 距离的平方成反比。它们越接近，斥 力越大。 分几次完成是可行的 氢聚变是由分三个步骤完成： (P-P反应) 1，两个质子碰撞并发生聚变，形成氢的 同位素氘( ) 2，由氘和质子碰撞形成氦的同位素氦3 3，两个氦3( )碰撞形成氦核，完成 由氢核聚变为氦核( )的反应。 质子－质子链式反应 注意：元素由原子核中的质子数决定 P－P反应 共6个质子参与，形成两个质 子、一个氦核、两个中微子、两 个正电子和两个光子。 同时释放24.158电子伏特的能 量。 在太阳和恒星内部没有类似的 加速器，发生聚变核反应只能靠 高温。 高温使原子电离为原子核和电 子，同时使部分原子核具有很高 的动能，使它们能克服库仑斥力 达到可以发生聚变的程度。 氢弹爆炸 在地球上已成功地实现氢聚变 的热核反应，那就是氢弹爆炸。 在太阳或其它和太阳质量差不 多的恒星所具有的温度条件下， 只能有氢聚变为氦的反应。 “ 碳－氮－氧”循环 美国核物理学家贝特于1936年发表 关于氢聚变为氦的“ 碳－氮一氧循环” 论文。 年轻的福勒从1933年起就从事碳、 氮、氧循环”中第一个反应的研究。提 供了检验“ 碳－氮一氧循环”可行性 的实验证据。 碳－氮－氧循环形成氦核 1，首先由碳核和一个氢核（质子） 碰撞，形成氮同位素核。 2，它是放射性核，很快就放出两个 轻粒子（正电子和中微子）形成碳 同位素的核。 3,由形成碳同位素的核和质子反应形成 氮核 4，由氮核和质子相碰撞形成氧同位素 核，也是放射性核，它放出一个正电 子和一个中微子后衰变为氮同位素核 5，最后，由氮同位素核和一个质子 碰撞形成碳核和氦核 最终是4个氢原子核合成一个氦核， 同时产生两个正电子，两个中微子 和三个光子，释放出25.03兆电子伏特 的能量。这一系列的反应都是放热反 应，因此可提供能源。 条件 1，参加核反应的碳、氮、氧在反应 前后并没有改变，特别是氮、氧是中 间产物，产生了又消失。但一定要有 碳存在； 2，碳、氮、氧循环要求1500万的高温； 3，要有足够多的氢核(质子)，就可以 成为稳定的能源。 碳从那里来？ “ 碳－氮－氧循环”提出10年后，仍未 得到公认。最大的困难要有足够的碳元 素存在。没有人给出恒星中产生碳元素 的机制。 碳元素从何而来 福勒等的实验： 1，由硼 的同位素 的衰变 制造出碳12的激发态 2，发现有一些激发态的碳分裂为3个 氦核。这一核反应是可逆的，说明3个 氦核也可以结合成碳核－“ 氦燃烧” 碳元素合成的重要意义 碳元素合成为恒星元素合成理论的关 键，其它重元素在恒星中合成的问题就 很容易解决。 如用氦核（α粒子）轰击碳原子核， 就可以使它增加4个原子质量单位，新 形成的核又会衰变为其它元素和同位 素。 5，重元素的产生和 B2FH元素形成理论 地球上的重元素来自何方？ 地球上现存的所有比铁重的元素， 我们人体中的微量重元素都是50亿 年以前超新星爆发的遗留物。除了 宇宙大爆炸后形成的第一批恒星外， 其它恒星中也都会有超新星爆发的 遗留物。 核反应的条件－－温度 由于原子核之间的静电斥力正比两者所带电荷之乘积，因此不同的核反应必须要在不同的温度下才能进行。 碳、氮、氧循环需要1500万度以上的高温。 更重原子核之间的反应，需要