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元素起源主要研究宇宙空間各種元素(核素)形成的條件.過程及其發生地點的學科。元素起源的研究與核物理、天體物理和天體演化等學科密切相關。

1 元素起源 -元素起源

 

2 元素起源 -正文

  空間化學的一個分支。主要研究宇宙空間各種元素(核素)形成的條件、過程及其發生地點的學科。元素起源的研究與核物理、天體物理和天體演化等學科密切相關。
  研究簡史  元素起源是宇宙物質的形成和演化問題的一個組成部分。元素起源理論是在元素宇宙丰度的測定、現代核結構理論和宇宙起源理論的基礎上逐步完善起來的。
  1889年克拉克(F.W.Cl╠RKE)提出元素起源於原始的「不可分原質」的近代設想。1949年,伽莫夫(G.Gamow)等提出了宇宙起源的大爆炸模型。設想物質源於中子,通過早期緻密宇宙的中子結合過程建造宇宙的所有元素,但是由於不存在質量數為5和8的穩定核素,使得過程不能跨越這兩個質量間隙合成重於4He和7Li的核素。
  另一個設想是通過恆星核反應過程建造宇宙元素。1939年貝特(H.A. Bethe)等建立了恆星氫燃燒合成氦的理論。1946年霍伊爾(F. Hoyle)的工作開創了恆星核反應逐步合成重元素研究的現代歷史。霍伊爾等(1956)和卡梅倫(A.G.W.Gameron,1957)分別描述了建造宇宙元素所需的核過程。1957年伯比奇(M.Burbidge)、伯比奇(G.Burbidge)、福勒(W.A. Fowler)和霍伊爾的論文《恆星中元素合成》綜合了這方面的研究成果,計算了各種核素合成過程,初步解釋了元素宇宙丰度的基本特徵,奠定了元素起源現代理論的基礎。以後阿內特(W.D.Arnett)、克萊頓(D.D.Clayton)和特魯蘭(J. Truran)等又發展了爆炸核素合成理論。為了解釋宇宙的Li、Be和B的丰度,雷韋斯(H.Reeves)等於1970年提出了銀河宇宙線與星際物質相互作用生成輕元素的假說。
  核素的合成過程  宇宙中的元素通過宇宙核素合成、恆星核素合成以及銀河宇宙線與星際物質相互作用生成。
  宇宙核素合成  元素起源與宇宙起源密切相關。宇宙大爆炸模型認為,宇宙起源於極熱和密度很大(溫度高於1013K,密度約1015克/厘米3)的原始火球,一次大爆炸使得宇宙不斷膨脹,輻射溫度和物質密度不斷降低,這個膨脹過程今天仍在繼續。當溫度降到低於1010K時,中子開始失去自由存在的條件,發生衰變或與質子結合,按下面反應生成H、D、3He、4He和少量7Li:

元素起源

  反應式中,n為中子,p為質子,e-為電子,ve為電子中微子,γ為伽馬射線,v為中微子。溫度下降至低於3000K時,物質逐漸凝聚形成恆星,宇宙進入恆星演化的時代。
  恆星核素合成  伴隨恆星的演化,宇宙核素合成的輕元素經由恆星核素合成過程,逐步生成宇宙的各種重元素。
  恆星中的氫燃燒,氫燃燒,靜態碳、氧和硅燃燒,爆炸碳、氧和硅燃燒,以及e過程合成鐵峰元素(見元素宇宙丰度)和鐵峰元素之前的元素;鐵峰元素以後的重元素由s過程、r過程和p過程合成。
  ①氫燃燒 恆星內H核(質子)聚變為 He核的過程。這個過程的結果是4個H核轉變為1個4He,兩個正電子(e+)和兩個中微子(v)。 質量和太陽相當的恆星中發生的H燃燒叫質子-質子循環,它可通過下面3個分支反應過程分別完成:

元素起源

發生反應的溫度為1.0×107~2.0×107K,密度約100克/厘米3。反應持續時間大於1010年。在質量較大的恆星內部(中心溫度和密度較高)發生的是碳-氮-氧(CNO)循環:

元素起源

C、N和O在反應中起催化劑的作用。到達反應平衡后,這個循環使大部分的C、N、O核素轉變為14N,因此也是恆星合成14N的主要過程。
  ②氦燃燒 3個4He核直接聚合為穩定12C的核過程,又稱三α反應。這個過程在恆星核心的H耗盡之後,溫度接近108K,密度為105克/厘米3時發生。在上述條件下,生成的12C可與4He反應生成16O。氦燃燒的主要結果是生成12C和16O。
  ③靜態碳、氧和硅燃燒 兩個12C聚變為20Ne、23Na和23Mg;兩個16O聚變為28Si、31P和31S;28Si發生光分裂放出中子、質子和α 粒子,隨後這些粒子與28Si和由28Si生成的更重核素反應生成直至鐵峰核素(見元素宇宙丰度)的核過程,依次稱為碳燃燒、氧燃燒和硅燃燒。碳燃燒在溫度為5×108~8×108K時發生,反應式為: 上面反應式中,α為α粒子。溫度約 2×109K時發生氧燃燒反應: 

元素起源

此時,12C和16O之間也可發生核反應。靜態碳和氧燃燒生成質量數為 20~40的各種核素。靜態硅燃燒在溫度約3×109K,密度約108克/厘米3的環境下發生。
  ④爆炸碳、氧和硅燃燒 在恆星的富C、O和Si帶中發生的爆炸核素合成過程。這些過程可生成靜態C、O和Si燃燒過程不能生成的24Mg、25Mg、29Si和30Si等稀少核素。在溫度約2×109K和密度約105克/厘米3時,在富碳帶發生爆炸碳燃燒,生成20Ne、23Na、24Mg、25Mg、26Mg、27Al、29Si和30Si;溫度為2.6×109K和密度約為2×105克/厘米3時,在富氧帶發生爆炸氧燃燒,生成28Si、32S、34S、35Cl、36Ar、40Ca和46Ti;溫度約4.7×109K和密度約2×107克/厘米3時,在富硅帶發生爆炸硅燃燒,生成32S、36Ar、40Ca、52Cr和54Fe等核素。氦燃燒生成的12C和16O為爆炸碳和氧燃燒提供了物質基礎,而爆炸硅燃燒的初始物質是靜態氧燃燒的產物。靜態核燃燒是爆炸核燃燒的預過程。
  ⑤ e過程 恆星原子核反應的統計平衡過程。e是equilibrium(平衡)的縮寫。當質量大於 8Mo(太陽質量)的恆星中心溫度T≥5×109K,密度ρ>3×106克/厘米3時,高能光子和恆星前期合成的核素髮生大量的碰撞,結果導致核的碎裂,同時生成的碎片又很快和其他粒子結合,最終在核的瓦解和形成之間建立起統計平衡,生成最穩定的鐵峰元素(V、Cr、Mn、Fe、CO、Ni等)。
  ⑥s過程 以56Fe為起始物質,通過逐級慢中子俘獲反應生成質量數A直至 209的核素的核過程如圖。s過程在恆星演化的紅巨星階段產生。反應所需的中子主要由恆星內的氦燃燒過程產生的核反應提供:

元素起源

s過程在A=209處,由於209Pb發生衰變而截止。過程持續的時間約為104年。
  ⑦r過程 以56Fe為起始物質,通過連續快中子俘獲反應生成富中子核素的核過程。質量數A>209的全部核素都是由r過程合成的。r過程由於生成的重核發生裂變而截止,一般認為截止點在質量數A為260附近(見圖)。r過程在超新星爆炸時產生,持續時間為數秒鐘。反應所需的大量中子由超新星爆炸提供。

  ⑧p過程 超新星激波通過其外層富氫氣圈時,以s過程和r過程核素為起始核,通過(p,γ)反應或(γ,n)反應生成富質子核素的核過程。生成較輕的富質子核素(A<150)以(p,γ)反應為主,生成較重的富質子核素(A>150)以(γ,n)反應為主。過程發生的溫度約1010K。
  Li、Be和B核素的合成  在溫度約106K下,Li、 Be和B可被恆星中發生的(p,γ)或(p,α)反應銷毀。在氦燃燒階段,4He通過三α反應跨越Li、Be和B元素直接生成12C和16O,因此恆星內的核過程不能生成Li、Be和B。
  宇宙的6Li、9Be、10B和11B核素由銀河宇宙線的高能粒子(106~1020電子伏)與星際物質(主要為C、 N和O)的相互作用生成。這個核過程在歷史上曾稱為x過程,它是一個高能吸熱核反應。這個過程分兩步進行:①高能粒子(質子和α粒子)轟擊星際物質,穿入靶原子核中與核內的數個核子碰撞,這些核子又與核內的更多核子碰撞,產生級聯反應,其中一些核子在碰撞過程中獲得足夠的能量與入射粒子一起離開靶核。②處於高激發態的殘留核通過發射數個核子釋放剩餘能量,這個階段稱為破裂階段。整個過程叫做核散裂反應。銀河宇宙線中的低能粒子與星際物質的核反應可以生成7Li。另外,在宇宙大爆炸中,在新星和超新星爆炸時,以及紅巨星中的核過程也可生成一部分7Li。
  核素合成的發生區域  不同的核素合成過程發生在不同的區域中。宇宙核素合成發生於高溫、緻密的早期宇宙中,散裂核反應生成輕元素髮生於星際介質中,其他的核素合成過程發生於恆星中。
  恆星核素合成過程與恆星演化階段是相互對應的。氫燃燒發生於主序恆星中,它是恆星能量的主要來源。紅巨星內部發生氦燃燒,表面是s過程的發生區域。爆炸碳、氧和硅燃燒、e過程、r過程和 p過程發生在恆星演化末期。
  超新星是爆炸核素合成的主要區域。它具有層狀結構,各層物質是各靜態核燃燒過程的產物。新星是爆炸核素合成13C、15N、17O和19F的區域。
  恆星由瀰漫的星際介質凝聚而成,在其生命的後期又通過爆炸把核素合成產物拋向星際空間,返回星際介質。由此新的恆星又從星際介質中誕生。恆星的壽命與其質量相關,質量越大,演化越快,壽命越短。太陽(年齡約為46億年)和質量比太陽大的恆星,壽命比銀河系年齡(約 120億年)短得多。表明銀河系目前的元素分佈特徵是若干代恆星核素合成產物的綜合結果。太陽系的元素分佈特徵,反映了太陽系形成之前活躍在銀河系中的各種核素合成過程產物的累計平均狀況。

 

3 元素起源 -配圖

 

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