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质子﹣质子链反应

2019年08月01日 百科 暂无评论
摘要:

质子﹣质子链反应\n\n质子﹣质子链反应是恒星内部将氢融合成氦的几种核融合反应中的一种,另一种主要的反应是碳氮氧循环。质子﹣质子链反应在太阳或更小的恒星上占有主导的地位。\n\n克服两个氢原子核之间的静电斥力需要很大的能量,并且即使在太阳高温的核心中,平均也还需要10年才能完成。由于反

质子﹣质子链反应\n\n质子﹣质子链反应是恒星内部将氢融合成氦的几种核融合反应中的一种,另一种主要的反应是碳氮氧循环。质子﹣质子链反应在太阳或更小的恒星上占有主导的地位。\n\n克服两个氢原子核之间的静电斥力需要很大的能量,并且即使在太阳高温的核心中,平均也还需要10年才能完成。由于反应是如此的缓慢,因此太阳迄今仍能闪耀著,如果反应稍为快速些,太阳早就已经耗尽燃料了。\n\n通常,质子﹣质子熔合反应只有在温度(即动能)高到足以克服它们相互之间的库仑斥力时才能进行。质子﹣质子反应是太阳和其它恒星燃烧产生能量来源的理论,是在1920年代由亚瑟·史坦利·艾丁顿主张和提出基本原则的。当时,太阳的温度被认为太低,以至于不足以克服库仑障壁。直到量子力学发展之后,发现质子可以经由波函数的隧道,穿过排斥障碍而在比传统预测为低的温度下进行融合反应。\n\n第一个步骤是两个氢原子核H(质子)融合成为氘,一个质子经由释放出一个 e和一个中微子成为中子。\n\n在这个阶段中释放出的中微子带有0.42MeV的能量。\n\n第一个步骤进行的非常缓慢,因为它依赖的吸热的β正电子衰变,需要吸收能量,将一个质子转变成中子。事实上,这是整个反应的瓶颈,一颗质子平均要等待10年才能融合成氘。\n\n正电子立刻就和电子湮灭,它们的质量转换成两个γ射线的光子被带走。\n\n在这之后,氘先和另一个氢原子融合成较轻的氦同位素,He:\n\n然后有三种可能的路径来形成氦的同位素He。在pp1分支,氦-4由两个氦-3融合而成;在pp2和pp3分支,氦-3先和一个已经存在的氦-4融合成铍。\n在太阳,pp1最为频繁,占了86%,pp2占14%,pp3只有0.11%。还有一种是极端罕见的pp4分支。\n\n完整的pp1链反应是放出的净能量为26.7MeV。\npp1分支主要发生在一千万至一千四百万K的温度,当温度低于一千万K时,质子﹣质子链反应就不能制造出He。\n\npp2分支主要发生在一千四百万至二千三百万K的温度。\n\n90%的在Be(e,ν)Li*的反应中产生的微中子,90%带有0.861MeV的能量,剩余的10%带有0.383 MeV 的能量(依据锂-7是在基态还是激发态而定)。\n\npp3链反应发生在二千三百万K以上的温度。\n\npp3链虽然不是太阳主要的能量来源(只占0.11%),但在太阳微中子问题上非常重要,因为它产生的微中子能量是非常高的(高达14.06 MeV)。\n\n虽然预测上有这种反应,但因为极为罕见(在太阳中只占千万分之三的量),因此从未曾在太阳中被观测到。在此种反应中,氦-3直接和质子作用成为氦-4,可以产生能量更高的微中子(高达18.8 MeV)。\n\n比较最后产生的氦-4和4个质子的质量,显示少了0.007或是0.7%的质量。这些质量被转换成了能量,在各自的反应中以γ射线和微中子的形式释放出去。在一个完整的反应链可以得到26.73MeV的能量。\n\n只有以γ射线释放的能量会和电子与质子作用来加热太阳的内部。这些热量支撑著太阳使它不致于因为本身的重量而崩溃。\n\n微中子不会与一般的物质发生交互作用,而且不会支持太阳去对抗本身的重力崩溃。微中子在pp1、pp2和pp3链分别带走2.0%、4.0%和28.3%的能量。\n\n氘也能经由罕见的pep(质子﹣电子﹣质子)反应(电子捕获)产生:\n在太阳,pep反应和pp反应的比率是1:400,但是pep反应产生的微中子拥有更高的能量:在pp反应的第一步产生的微中子能量是0.42MeV,而pep反应产生的微中子谱线能量集中在1.44MeV。\n\npep和pp反应可以被看成是相同的基本交互作用,以两种不同的费曼图表示。此处电子穿越到反应的右边成为一个反电子,这在2006年NDM的网站图中表示的是恒星内的质子﹣质子和电子捕获链反应。\n\n"}

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