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第七章能量来源及元素合成及Fe重元素
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
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