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元素合成理论与天体核反应研究[量子分子动力学之家]
元素合成理论与天体核反应研究
 更新时间:2010/11/9 19:34:26  点击数:2642
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    早在上一世纪后期,人们就对元素及其同位素在自然界的丰度进行了研究。从1883年到1924年,美国地质调查局总化学师克拉克(ClarkeFrank Wigglesworth 18471931)在地壳厚度16千米的范围内,广泛地调查了地壳的化学组成,发表了地壳中化学元素的丰度调查结果。此后,又有人收集了大量的陨石、太阳、其它恒星、星云的各种元素及同位素分布的资料。曾致力于研究同位素理论、特别对重氢研究做出重要贡献的美国物理学家与化学家尤里(UreyHarold Clayton 18931981)在 1956年,根据地球、陨石及太阳的资料绘制出更为详细、更为标准的元素丰度表,这一资料已成为元素合成理论的重要依据之一。从尤里的研究结果看出,元素及其同位素的分布是极其复杂又有一定规律的。这一规律一方面来自原子核结构的规律性,一方面又与元素的起源及演化史密切相关。任何有关元素起源与合成的假说都必须首先能解释这一分布的规律性。

  早期提出的元素起源与合成假说有平衡过程假说、中子俘获假说与聚中子裂变理论,它们都试图用单一过程解释全部元素的成因,最后都因矛盾百出不能自圆其说而失败。较为成功的元素核合成假说,是本世纪50年代提出的BBFH理论。BB代表伯比奇夫妇,伯比奇(BurbidgeEleanor Margevet 1925~)为英国女天文学家、格林威治天文台第一任台长,长期致力于类星体和元素在恒星深处的核合成理论研究。1955年伯比奇的丈夫受聘到美国加州帕萨迪那附近的威尔逊山天文台工作,伯比奇到加州理工学院任教。与伯比奇夫妇一起提出元素合成理论的还有美国核天体物理学家否勒(FowlerWilliam Al-frad 1911~)及英国天文学家霍伊尔(HoyleSir Fred 1915~)。他们以尤里提出的元素丰度分布曲线为出发点,以核聚变理论为基础,认为宇宙间全部元素并非由单一过程一次形成,而是通过恒星各个演化阶段的相应八个过程逐次形成的。这八个过程是:①氢燃烧,在 T7×106K条件下,四个氢核聚变为氦核的过程;②氦燃烧,即T108K条件下,氦核聚变为碳核和氧核、氖核等的过程;③α过程,α粒子与氖核反应,相继生成镁、硅、硫、氩等元素原子核;④e过程,元素丰度曲线上的铁峰元素(钒、铬、锰、铁、钴、镍)等生成;⑤s慢中子俘获过程;⑥γ快中子俘获过程。这后两个过程分别简称s过程和γ过程,通过它们生成比铁重的元素;⑦生成低丰度的富质子同位素的质子p的俘获过程,以及⑧生成低丰度轻元素(如、锂、铍、硼等)的X过程。BBFH理论发表以后,不断得到核物理、天体物理以及宇宙化学等领域新成就的补充与修正,例如补充了碳燃烧、氧燃烧和硅燃烧等新过程,大爆炸宇宙学又为氦的丰度较大提出了进一步的解释。

  近年来核天体物理学的一个研究热点是恒星晚期,特别是新星爆发附近阶段中较重元素的合成问题。在这个阶段,由于参与s过程的全部核素集中于β稳定谷附近,利用现有的核实验装置即可得到一些个别的核反应并测出其反应率,再计入所观测到的天文环境,人们可以建立过程模型,力图利用它拟合观测到的元素丰度。1956年以来,核物理学曾预言存在有一个稳定的超重元素岛。岛中心的原子核是中子数和质子数填满闭壳的双幻核(Z=114N=184)。这个核非常稳定,其自发裂变的寿命估计可达1019年。在其附近的原子核对于自发裂变、β衰变也比较稳定。除了这个超重核的稳定岛外,核物理学还预言存在另一些更重超重核的稳定区。理论预言,对于这些更重的超重核,由于库仑势能加大,发射α粒子的能量、裂变平均动能以 及每次裂变释放的中子数都将比常规核情况大得多。证实这些预言存在与否都将是对原子核理论的检验。目前,物理学家正试图通过对γ过程的研究解开这个谜。由于γ过程产生远离β稳定线中子大量过剩的核,在实验室条件下,难以测量其反应截面,因此常利用地下核爆炸进行γ过程研究。到目前为止,在规模巨大的天体核反应研究方面,虽然在确定核反应截面的工作上取得一些成果,从而丰富了人们对于天体核反应规律的认识,但这种认识毕竟是很初步的,因为对于恒星晚期进行的核反应,至今还不能在实验室条件下研究,对于它们的抛射物化学成分还需要做进一步的了解和解释。本世纪90年代以来,人们正开始采用超巨型计算机,进一步启用更新的核物理实验装置,将发射空间红外望远镜以探测原始星系初始核合成,哈勃望远镜将收集关于恒星在可见光及紫外波段的更高分辨率的观测资料,人们还将建造规模更为宏伟的同位旋实验室,以期获得目前难以得到的不稳定核。以上这些规划与进展不仅可以从实验上和理论上探讨核天体物理问题,而且还能加深人们对宇宙演化的认识。

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