[科普中國]-3氦過程

3氦過程是3個氦原子核（α粒子）轉換成碳原子核的過程。這種核聚變反應可以在超過一億K的高溫和氦含量豐富的恒星內部迅速的發(fā)生。同樣的，它發(fā)生在較老年，經由質子-質子鏈反應和碳氮氧循環(huán)產生的氦，累積在核心的恒星。在核心的氫已經燃燒完后，核心將塌縮，直到溫度達到氦燃燒的燃點。

簡介3氦過程是3個氦原子核（α粒子）轉換成碳原子核的過程。

這種核聚變反應可以在超過一億K的高溫和氦含量豐富的恒星內部迅速的發(fā)生。同樣的，它發(fā)生在較老年，經由質子-質子鏈反應和碳氮氧循環(huán)產生的氦，累積在核心的恒星。在核心的氫已經燃燒完后，核心將塌縮，直到溫度達到氦燃燒的燃點。

4He+4He + 93.7 keV ?8Be

8Be +4He ?12C + γ + 7.367MeV

這個過程釋放出的凈能量為7.275 MeV。

在第一個階段形成的8Be是不穩(wěn)定的，會經歷2.6×10-16秒就再分裂回氦，但是在氦燃燒能形成8Be的條件下，只要有微小的平衡豐度，就能再捕獲一個氦原子核形成12C。這種結合三個氦原子核轉換成碳的過程就稱為3氦過程。

由于3氦過程需要較長的時間才能形成碳，因此在太初核合成不太可能發(fā)生。此一結果可以說明大霹靂為何沒有制造出碳，因為在大霹靂之后的一分鐘，就已經低于核聚變所需要的溫度了。

通常，3氦過程發(fā)生的可能性是非常低的，但是鈹-8在基態(tài)的能量幾乎就是氦的兩倍。在第二個階段，8Be +4He幾乎就是碳在激發(fā)態(tài)下的能量。這種共振的狀態(tài)，使接踵而來的氦和鈹結合成碳的可能性大為增加。這種共振的存在被觀測到之前，基于物理上的必要性，為了在恒星內形成碳，弗雷德·霍伊爾就已經預測到了。實際上，這種能量共振和過程的預測然后真的被發(fā)現(xiàn)，對霍伊爾恒星核合成的假說：假設所有的化學元素都是從最初的氫－真正的原始物質－形成的，提供了非常重大的支持。

在過程中的一些副作用是，一些碳元素可能會和氦融合產生穩(wěn)定的氧同位素，并且釋放出能量：

12C +4He →16O+ γ+ 7.162 MeV

接下來的反應鏈是氧會再與氦結合生成氖，但再繼續(xù)下去就有困難了，因為核自旋規(guī)律的限制，結果使得更重的元素不容易在恒星核合成中形成。

這樣的情狀使得恒星核合成創(chuàng)造出來大量的碳和氧，只有一小部分能被轉換成氖和其他更重的元素。氧和碳都是氦燃燒的灰燼，而人擇原理曾被引用來解釋碳和氧在宇宙中被敏感的核共振大量創(chuàng)造出來的事實。

融合的過程能創(chuàng)造的元素只到鐵，更重的（在鐵之外的）元素只要是由中子捕獲創(chuàng)造的。慢中子捕獲（S-過程）生產出大約一半的重元素，另外的一半則可能由快中子捕獲（R-過程）在核塌縮的超新星中創(chuàng)造出來。1

反應速率和恒星演化3氦過程與恒星物質的溫度和密度有強烈的關聯(lián)性。反應速率釋放出的能量與溫度的比例關系是指數(shù)的30次方和密度的平方。對照于質子-質子鏈反應產生能量的比率祇是溫度的四次方和與密度成正比。

與溫度這樣強烈的關聯(lián)性造成恒星在演化的后期進入紅巨星的階段。

對低質量的恒星，累積在核心的氦阻擋恒星進一步塌縮的只有電子簡并壓力，而這種在核心的壓力與溫度幾乎是毫無關聯(lián)的。如此的結果是，一旦一顆較小的恒星開始進行3氦過程，核心在反應中不會擴展也不會冷卻，只有不斷的增高溫度，結果是反應速率持續(xù)增加直到發(fā)生熱失控的反應。這個過程就是所知道的氦閃，雖然只有不到一分鐘的時間，但卻能夠燃燒掉核心60-80%的氦，并且導致巨大的能量釋出。

對較大質量的恒星，氦燃燒在環(huán)繞著簡并碳核心的殼層中進行。因為氦殼不是簡并的物質，因為氦燃燒能量釋放而增加的熱壓力造成恒星的膨脹，膨脹導致氦層溫度的下降而中止了反應，于是恒星再度收縮。這種周期性的過程造成恒星劇烈的變化，并將外層的物質吹離恒星。1

發(fā)現(xiàn)3氦過程高度的依賴碳-12和氦-4與鈹-8有能量共振的關系，而在1952年之前對這些能階仍是一無所知的。天文物理學家弗雷德·霍伊爾使用了碳-12在宇宙中是豐富的事實，作為碳-12有共振存在的證據(jù)，霍伊爾提出了想法給核子物理學家威廉·福勒，他承認這樣的能階是可能存在的，而在過去的工作中被忽略掉了。在簡要的規(guī)劃之后，他在加州理工學院凱洛格輻射實驗室的研究小組，就在7.65Mev附近發(fā)現(xiàn)了碳-12的共振。1

相關條目質子-質子鏈反應

碳氮氧循環(huán)

本詞條內容貢獻者為:

曹慧慧 - 副教授 - 中國礦業(yè)大學