元素合成理论
【中文词条】元素合成理论
【外文词条】theory of nucleosynthesis
【作者】曲钦岳
阐明宇宙中各种元素及其同位素的形成过程的学说。元素的丰度曲线是相当复杂而又有一定规律的。元素及其同位素的分布规律﹐一方面反映原子核结构的规律性﹐另一方面与元素的起源和演化史密切相关。关于元素的起源或合成的任何一种假说﹐都必须解释这一分布的规律性。早期提出的假说有﹕平衡过程假说﹑中子俘获假说﹑聚中子裂变假说等。它们都试图用单一过程解释全部元素的成因﹐结果是顾此失彼﹐难以自圆其说。1957年﹐伯比奇夫妇﹑福勒﹑霍伊尔等人提出了元素在恒星内合成的假说,通常简称为B^2FH理论。他们摒弃了全部元素都是通过单一过程一次形成的想法﹐提出了与恒星不同演化阶段相应的八个形成过程﹐认为所有的元素及其同位素都是由氢通过发生在恒星上的八个过程逐步合成的。它们合成后﹐由恒星抛射到宇宙空间﹐形成了我们所观测到的元素的丰度分布。BFH理论提出的八个过程是﹕氢燃烧﹕发生于温度T ≧7×10^6K的条件下﹐是四个氢核聚变为氦核的过程﹔氦燃烧﹕发生于T ≧10^8K的条件下﹐是由氦核聚变为碳核(12^C和氧核(16^O))等的过程﹔α过程﹕α粒子与Ne相继反应生成Mg﹑Si﹑S﹑Ar等的过程﹔e过程﹐即所谓的平衡过程﹕发生在温度和密度都很高的条件下o元素丰度曲线上的铁峰元素(V﹑Cr﹑Mn﹑Fe﹑Co﹑Ni等)通过这个过程生成﹔s过程﹐即慢中子俘获过程﹔r过程﹐即快中子俘获过程﹕比铁峰元素更重的元素可能通过r或s过程生成﹔p 过程﹐即质子俘获过程﹕一些低丰度的富质子同位素可能通过这个过程生成﹔x过程﹕生成D﹑Li﹑Be﹑B等低丰度轻元素的过程。
BFH理论发表后﹐不断得到原子核物理学﹑天体物理学和宇宙化学方面的新成就的补充和修正。其主要进展有﹕提出了一些新的过程﹐如碳燃烧﹑氧燃烧和硅燃烧等﹐碳燃烧﹑氧燃烧和硅燃烧分别发生在T ≧6×10^8K﹑T ≧10^9K和T >3×10^9K或4×10^9K的条件下。近年来的研究发现﹐爆发性碳燃烧可以说明Ne到Si的观测丰度﹐爆发性氧燃烧可以说明Si到Ca的观测丰度﹐准平衡的硅燃烧可以说明铁峰元素的观测丰度。在许多天体上﹐氦丰度相当大﹐按质量计约为30％﹐用恒星内部的核反应理论不能说明这个事实。大爆炸宇宙学认为宇宙曾经有过一段从热到冷的演化史。宇宙早期温度很高﹐生成氦的效率也高﹐从而造成氦的高丰度。Li﹑Be﹑B等轻元素的观测丰度﹐可以用宇宙线粒子与星际空间的C﹑N﹑O﹑Ne等原子核碰撞而使后者碎裂来说明。
参考书目
E.M.Burbidge et al.﹐Rev. Mod. Phys.﹐Vol.29﹐p.547﹐1957.