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元素的起源.doc

元素的起源

Fay祥敏
2019-02-27 0人阅读 举报 0 0 0 暂无简介

简介:本文档为《元素的起源doc》,可适用于工程科技领域

元素的起源元素的起源是研究各种元素的形成过程、条件和合成的场所,及其在宇宙中的丰度分布量与规律。合理地解释核素丰度的特征是元素起源的理论的基础。早期提出的假说有:平衡过程假说,中子捕获假说,中子裂变假说等。年EMBurbide等提出了元素在恒星中合成的假说(即BFH理论),将元素起源与恒星演化紧密结合。现代元素起源理论综合了大爆炸宇宙学理论和恒星演化中通过各种核聚变、核反应逐步合成的。宇宙大爆炸产生了两个丰度最大的核素H和He,以及少量的H、He和Li,而大多数核素是在恒星内部的核过程中产生的,核合成类型与恒星演化过程密切相关。·大爆炸宇宙的核合成过程标准大爆炸宇宙学模型表明,宇宙刚诞生时密度近乎无穷大,温度>K,宇宙中没有原子核,只存在基本粒子和反粒子,同时发生粒子物理反应。随着宇宙的不断膨胀,物质密度减小,温度下降,当温度大约降到K时(约在大爆炸后分钟),有可能发生质子(P)与中子(α)的反应,生成氘(D),核同时放出光子(γ),Pα→Dγ,其后的反应序列为:DP→HeγHe十He→HeP十γHeHe→BeγBee一→Liμe一为电子,μ为中微子,标准大爆炸核合成模型很好的解释了原始的宇宙丰度特征。·恒星内部的核合成大爆炸发生后,随着宇宙的继续膨胀,宇宙中的物质密度大于其辐射密度,此时,辐射压力相对变低,允许在膨胀着的气体中形成永久性的大规模不均匀性,随后通过局部的引力收缩形成了星系和星系内的天体,经典型恒星内部的核合成理论是年由EMBuridge等人提出的,它是现代元素起源理论的基础。年代以后随着核结构和天体演化理论的发展,恒星内部核合成理论得以逐步完善与健全。恒星内部有以下一些主要核合成过程:()氢燃烧恒星内,当温度为~K,物质密度为gcm时产生由个氢核聚变为一个氦核的过程,氢燃烧有两个反应链:质子一质子循环和碳氢氧循环,该反应持续时间约~年质子一质子循环发生在质量较小的主序星(如太阳)内部,它由下列个分支反应过程完成。H十H→DeυPPⅠD十H→He十γHe十He→HeH十γ或HeHe→BeγPPⅡBee一→Li十υLi十H→Be*He或BeH→BγPPⅢB→Be*eυBe→He恒星内部温度>×K时,在质量较大的主序星内部,发生以C、N和O为催化剂的碳氮氧循环核过程,延续时间约a。CH→CγN→CeμCH→NγNH→OγO→N十e十μNH→CHeγNH→O十OH→FγF→OμOH→NHeγ()氦燃烧恒星内部物质密度~gcm,温度为X~XK时,三个氦核(粒子)聚变成碳核,故也称为α反应:He→Cγ,C进一步与He反应生成O、O、Ne等,该反应约持续~a。()稳态核燃烧该反应发生在稳定的恒星内部,包括碳、氧、硅和氖燃烧。当恒星核心内氦耗尽时,进一步收缩,温度也随之升高。当恒星内部物质密度为gcm,温度为XK时发生碳燃烧当密度为gcm,温度为XK时发生氧燃烧。随着温度升高至×K时,Si和Ne发生光致分裂,导致核素之间重新组合,生成铁峰区结合能最大的核素。以上的稳态核反应合成A=~的核素,但在解释观测到的核素丰度时并不成功,表明还存在着其它核合成的贡献。()爆炸核燃烧稳态核燃烧是爆炸燃烧的预过程,提供爆炸的条件。在超新星等爆发时,几秒钟内温度可达×~×K以上,发生爆炸式核合成并向外抛出生成核素。爆炸核燃烧合成的A=~的核素的量可根据具体情况(温度,密度,已有核素及核参数)进行推算,结果表明其丰度特征与观察到的太阳系丰度相符合。()核统计平衡(E)过程当体系的温度和密度足够高时,无论是稳态,还是爆炸条件下,都会达到核统计平衡,生成平均结构能量最大的铁峰元素(钒、铬、锰、铁、钴、镍等)恒星中系列的元素核合成过程到此结束。()S过程即慢的俘获中子过程。S过程中子产生和俘获的时间尺度足够慢,约为a,因此两次俘获之间有充裕的时间让生成核衰变,核合成反应通过稳定区区域内的核进行。S过程以铁峰元素为种子核,经逐级中子俘获,一直合成到质量数为的许多核素。由于具有中子满壳层、、的核特别稳定,因此在丰度曲线图上质量数、和处于产生个S过程丰度峰。S过程在A=、处由α衰变而截止。自从年伯比奇(Burbide)等人对S过程的最初研究以来,很长时间一直认为太阳系S过程核素是在红巨星内部产生的,随着近年来对S过程的深人研究,目前被广为接受的核合成场所是对≤A≤的核素是在低质量的ACB(ASymPtotioCiantBranCh)恒星中合成的对A≤较轻的核素,是在氦燃烧的巨星(M≥Ma)中合成的。S过程核合成的中子源是C(P,γ),N(e,γ),C(α,n),O反应。影响S过程核素丰度的主要因素有脉冲平均中子剂量T。中子密度Nn和温度T。()γ过程γ过程中子俘获时间尺度很短,通常为~s,以至可发生连续的中子俘获,且生成核可作连续β衰变,所以其合成路径将沿β稳定区富中子一侧的不稳定核进行。丰度曲线在A=、、处形成丰度峰。γ过程以铁峰为种子核产生许多富中子的核素,质量数为以后的核素全部由Y过程合成。中子俘获链可到Cf甚至形成更重的核素。经典论认为:超新星的中央核可能为核合成适宜的天文物理场所,而目前较为流行的冲击引发爆炸理论认为:恒星的氦区受超新星冲击波的加热提供了一个产生γ过程核素的适宜场所。C(α,n)O反应为γ过程的核反应提供中子源,而C可能产生在前超新星中,最有可能的场所为氦壳火焰区。影响γ过程重核产率的大小除与原始种核丰度密切相关外,另外两个重要因素就是超新星爆发时的温度与密度。()P过程最初P过程的含义仅指快速俘获质子的反应,目前则主要指光致电离(γ,n)、(γ,P)、(γ,α)反应。P过程合成质量数A≥富质子的核素,且核素大部分含具偶数的质子和中子数。P过程产生的核素与同一元素的其它同位素相比较要少得多,通常R和S过程产生的同位素是相邻P过程产生的同位素的至倍。目前P过程的核合成场所被认为是Ⅱ型超新星中已燃尽了氢,氦甚至还有碳的区域,而不是Ⅱ型超新星的富氢层,S和γ过程的种子核受温度高达×~XK的热光子作用,在约s的时间内转变成与太阳系丰度相符的P过程核素。影响P过程核丰度的主要因素是S和γ过程种核的原始分布,以及超星爆发时的参数值(如温度,爆发时间尺度等)。()X过程即宇宙线粒子的散裂反应。宇宙线高能粒子(P,α等)轰击星际介质的核素(主要是C,N,O)生成较轻的Li、Be、B和B等核系,其核素丰度与太阳系丰度符合得很好。

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