[科普中國(guó)]-氦核作用

氦核作用 （或α作用、α反應(yīng)）是兩種核聚變的類型之一，能將恒星的氦轉(zhuǎn)換成重元素，另一種即是3氦過程（3α反應(yīng)）。

簡(jiǎn)介氦核作用（或α作用、α反應(yīng)）是兩種核聚變的類型之一，能將恒星的氦轉(zhuǎn)換成重元素，另一種即是3氦過程（3α反應(yīng)）。

氦核作用（或α作用、α反應(yīng)）是兩種核聚變的類型之一，能將恒星的氦轉(zhuǎn)換成重元素，另一種即是3氦過程（3α反應(yīng)）。 當(dāng)3氦反應(yīng)進(jìn)行時(shí)只需要氦的參與，而一旦有一些碳產(chǎn)生，能消耗氦的其他反應(yīng)也會(huì)發(fā)生：

反應(yīng)的過程是：

氦-4 → 鈹-8 → 碳-12 → 氧-16 → 氖-20 → 鎂-24 → 硅–28 → 硫–32 → 氬–36 → 鈣–40 → 鈦–44 → 鉻–48 → 鐵–52 → 鎳–56

其中從氦-4開始到硅-28的反應(yīng)過程叫氦聚變，從硅-28開始至鎳-56的反應(yīng)過程叫硅燃燒過程。所有這些反應(yīng)在恒星內(nèi)部發(fā)生的比率都不高，因此對(duì)于能量的貢獻(xiàn)并不大；比氖（原子量> 10）重的元素，由于庫侖障壁的增加，因此不太容易產(chǎn)生。

所謂的α作用元素（或α元素）是質(zhì)量為氦核（α粒子）整數(shù)倍的同位素，它們的豐度是最高的。

α元素的原子序數(shù)≤ 28：He、Be、C、O、Ne、Mg、Si、S、Ar、Ca、Ti、Cr、Fe、Ni。它們?cè)贗I型超新星的硅融合過程中經(jīng)由α捕獲而形成，鎳-56是大質(zhì)量恒星以核聚變能產(chǎn)生的最后一種元素。

硅和鈣是純粹的α作用元素，鎂可以由氫核捕獲的燃燒過程中產(chǎn)生。至于氧，有些人認(rèn)為是α作用元素，但也有人認(rèn)為不是，在金屬量低的第二星族星中，氧確實(shí)是α作用元素；其他的在第二型超新星中產(chǎn)生的α作用元素，它們?cè)黾拥馁|(zhì)量都和氦的質(zhì)量有很好的關(guān)聯(lián)性。有時(shí)候碳和氮也會(huì)被視為α作用元素，因?yàn)樗鼈兪墙?jīng)由α捕獲所形成的元素。

在恒星內(nèi)的α作用元素豐度通常都以對(duì)數(shù)的形式來表達(dá)：

此處和分別是每單位體積內(nèi)α作用元素和鐵原子的數(shù)量。理論的星系演化模型預(yù)測(cè)在宇宙的早期，相對(duì)于鐵有更多的α作用元素。第二型超新星主要合成的元素是氧和α作用元素（氖、鎂、硅、硫、氬、鈣和鈦），而Ia超新星在鐵峰頂產(chǎn)生元素（V、Cr、Mn、Fe、Co和Ni）。1

3氦過程3氦過程是3個(gè)氦原子核（α粒子）轉(zhuǎn)換成碳原子核的過程。

這種核聚變反應(yīng)可以在超過一億K的高溫和氦含量豐富的恒星內(nèi)部迅速的發(fā)生。同樣的，它發(fā)生在較老年，經(jīng)由質(zhì)子-質(zhì)子鏈反應(yīng)和碳氮氧循環(huán)產(chǎn)生的氦，累積在核心的恒星。在核心的氫已經(jīng)燃燒完后，核心將塌縮，直到溫度達(dá)到氦燃燒的燃點(diǎn)。1

核聚變核聚變，又稱核融合、融合反應(yīng)或聚變反應(yīng)，是指將兩個(gè)較輕的核結(jié)合而形成一個(gè)較重的核和一個(gè)很輕的核（或粒子）的一種核反應(yīng)形式。在此過程中，物質(zhì)沒有守恒，因?yàn)橛幸徊糠终诰圩兊脑雍说奈镔|(zhì)被轉(zhuǎn)化為光子（能量）。核聚變是給活躍的或“主序的”恒星提供能量的過程。

兩個(gè)較輕的核在融合過程中產(chǎn)生質(zhì)量虧損而釋放出巨大的能量，兩個(gè)輕核在發(fā)生聚變時(shí)雖然因它們都帶正電荷而彼此排斥，然而兩個(gè)能量足夠高的核迎面相遇，它們就能相當(dāng)緊密地聚集在一起，以致核力能夠克服庫侖斥力而發(fā)生核反應(yīng)，這個(gè)反應(yīng)叫做核聚變。

舉例：兩個(gè)質(zhì)量小的原子，比方說兩個(gè)氚，在一定條件下（如超高溫和高壓），會(huì)發(fā)生原子核互相聚合作用，生成中子和氦-4，并伴隨著巨大的能量釋放。

原子核中蘊(yùn)藏巨大的能量。根據(jù)質(zhì)能方程E=mc，原子核之凈質(zhì)量變化（反應(yīng)物與生成物之質(zhì)量差）造成能量的釋放。如果是由重的原子核變化為輕的原子核，稱為核裂變，如原子彈爆炸；如果是由較輕的原子核變化為較重的原子核，稱為核聚變。一般來說，這種核反應(yīng)會(huì)終止于鐵，因?yàn)槠湓雍俗顬榉€(wěn)定。

最早的人工核聚變技術(shù)是氫彈，同時(shí)在20世紀(jì)50年代，人類開始認(rèn)真地研究發(fā)展用于民用目的的受控?zé)岷司圩?，并一直持續(xù)到今天。在經(jīng)過60年從以前的實(shí)驗(yàn)中做出設(shè)計(jì)改進(jìn)之后，采用激光約束的國(guó)家點(diǎn)火裝置(NIF)和采用磁約束的國(guó)際熱核聚變實(shí)驗(yàn)反應(yīng)堆(ITER)這兩個(gè)主要項(xiàng)目的目標(biāo)為在反應(yīng)中產(chǎn)生的能量超過點(diǎn)燃反應(yīng)所需要的能量。ITER還計(jì)劃實(shí)現(xiàn)聚變“自持”。1

本詞條內(nèi)容貢獻(xiàn)者為:

黎明 - 副教授 - 西南大學(xué)