主序星中的核反应

主序星中的核反应

原文发于知乎问题:恒星在主序带时,核心进行核反应产生什么元素,并写出核反应方程式?及银河说-知乎专栏

主序星中进行的一般是氢聚变为氦的核反应,生成的元素是氦。

本文包括:反应过程、一句MMP、后续反应 三部分

一、反应过程

对于第一代恒星,它们在开始燃烧时只有大爆炸生成的氢和氦,只能通过质子质子循环进行氢燃烧。但对于第二代和第三代恒星(如太阳),它们在开始氢燃烧时星云中含有少量前一代恒星爆炸后遗留下来的重元素碳和氮,因此氢(质子)可以在碳、氮、氧的催化剂作用下生成氦(*He),反应前后,碳、氮、氧保持不变。

(*注:重元素:此处指除氢、氦以外的其他元素)

1938年,英国物理学家贝特和德国物理学家魏茨泽克分别发现了发生于恒星内部的两种氢聚变为氦的热核反应(另一说是魏茨泽克于1937年提出,贝特于1938年提出)。

一种叫质子-质子反应,共分为三步:

主序星中的核反应

主序星中的核反应

主序星中的核反应

主序星中的核反应

另一种叫碳-氮-氧循环

主序星中的核反应

注:当温度高于1.7×107K时,该循环反应稍有变化,循环的最后一步由四个反应代替,但最后仍是产生氦核。

因为有两个循环,所以上述的反应也称为碳氮氧双循环

碳在该过程中总量不变,只作为催化剂存在;氮和氧也只是中间产物。

当温度为1000万K时,主要是质子-质子反应;而当温度高到已经开始有氦原子核聚变为碳原子核时,碳循环成为主要的过程。

比如在太阳内部,有超过98%的能源来自质子-质子反应,1.7%的能源来自碳循环。

但无论发生的是两者中的哪种反应,整体来看是反应4个氢原子核,生成1个氦原子核和3个光子、2个正电子和2个中微子

4个氢原子核到1个氦原子核这一过程中损失掉的能量,正是恒星维持辐射所需的能量。

二、一句MMP

比较有意思的是,英国物理学家贝特在1967年因1938年提出恒星内部产能机理的研究成果获得诺贝尔奖,德国物理学家魏茨泽克在同年(甚至有说法是早一年)提出,两人互不影响、分别提出,按理说应共同获得诺贝尔奖,魏茨泽克却没有被提名。

主序星中的核反应

魏茨泽克心中有句MMP,不知当讲不当讲。

三、后续过程

当恒星中心的氢基本聚变为氦后,氢核聚变反应停止,恒星中心收缩,温度和压力升高,可引发氦聚变为碳的反应。通常当氦聚变为碳的反应开始后,恒星就会离开主星序,向赫罗图的右上方移动,进入红巨星或红超巨星区域。此时的恒星已经不是主序星了。

主序星中的核反应

主序星中的核反应

主序星中的核反应

主序星中的核反应

聚变反应在变化,其内核也在不断变化

主序星中的核反应

外层收缩后反弹,超新星爆发

关于恒星演化的具体过程,可以参考前几天刚做的这幅恒星演化图。

主序星中的核反应

文中图片除后五张外,均来自网络;倒数第五到倒数第二张图片来自aether.lbl.gov;最后一张图片来自银河说

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