恒星内部的核反应能产生哪个元素（恒星内部核燃烧的过程与核燃烧的物理过程）

【作者：黄姤】

太阳是地球上所有生命的能量来源，太阳的光度是 3.845×10^33 尔格/秒，地质学和生物学的证据表明太阳的光度在过去45亿年里面并没有明显的变化，去研究太阳为什么发光，就必须要解释是什么能源使得太阳能够在这么长的时间里维持这么高的光度。

第一种理论：最早提出化学能作为太阳的能源，太阳是利用化学反应，氢和氧这两个原子结合变成水分子这个过程会释放能量，但是把这个释放的能量和太阳的光度进行比较会发现，即使是把太阳里面所有的氧都用来参与这个反应，它也只能维持太阳30年的辐射时间，所以这个观点很快就被排除了。

第二种理论：讨论得比较多的是‘引力势能’，任何具有一定温度的天气体都会产生辐射，由于辐射天体内部的温度会下降，这就意味着它内部的气体压力和辐射压力会降低，在引力的作用下它的体积会减小，由于它的收缩会使得它一部分的引力势能会转化为热能，所以它的温度会上升，这样天体又会持续地产生辐射，在这样的过程里面产生辐射的能源是由于引力势能的转变。

引力势能的转变这个观点在19世纪到20世纪曾经是一个比较科学地解释太阳能源的一种理论，但是这种理论面临的问题和化学能其实是类似的，一个天体它所具有的总引力势能大小和它质量的平方与它半径之比是有关系的，利用太阳的光度作比较就可以得到它所能够维持的时间，发现引力势能释放太阳能源维持的时间只有1,000万年，这个时间同样地远远短于太阳的寿命，所以以上两种理论都不能够解释太阳能源的机制，为了更加科学地理解太阳能源的机制，首先要了解太阳内部处于一个什么样的物理状态。

恒星都是一个稳定的、炽热的气体球，因为恒星表面的温度有几千K，物质主要是以气态的方式存在的，恒星可以维持几十亿年的稳定辐射，所以恒星处于力平衡和热平衡的状态，恒星要保持力平衡和热平衡的状态。在恒星这个气体球里面任意一点所受的净力是等于0的，在这个气体球里面任何一个小小的气体云所受到的力可以归结为两种：

• 一种力是向内的引力、
• 另一种是向外的压力、

压力更准确可以说是气体的压力差，因为在任意一点所受到的气体压力是四面八方都有的，但是由于气体球是对称的，所以看到在其他方向上它们的压力大小是相等的，但是方向相反因此都抵消了，只有在径向方向上面，由内向外的压力超过了由外向内的压力，所以它受到一个径的向外压力。

压力和压力差和所受到的引力相平衡，这样子就保持整个恒星处于一个稳定的状态，利用气体所遵循的气体状态方程，就可以得到恒星温度的准确值，恒星的内部是处于一个高温的、高压的状态，很显然这个时候的原子基本上都已经电离了，电离后的带电粒子之间会发生非常频繁的相互作用，因为这个物理状态决定了它们的运动的方式。

当带电粒子发生相互碰撞的时候会发生什么样的现象？

1920年英国的天文学家‘爱丁顿’，首先提出了恒星的能量来自于氢的聚变反应，这个反应的过程中当参与反应的原子核和另外一个原子核发生碰撞变成了一个新的原子核之后，有一部分能量被释放出来了，这份能量出现的原因是因为在反应前后的质量是不守恒的，这就意味着发生了质量的亏损，损失的质量转变成了能量，这个观点在核物理的研究里面得到了证实。

1937~1939年德国的‘魏茨泽克’和‘贝特’他们提出了利用氢原子核发生聚变的‘碳氮氧循环反应’，后来在1957年‘霍伊尔’、‘伯比奇夫妇’和‘福勒’他们4个人又提出了氢原子核的元素合成理论以及更重元素聚变反应理论。

热核反应的原理是根据‘爱因斯坦’的质量和能量的公式，质量和能量是等价的，所以当发生核反应的时候反应前后的质量有变化就伴随着能量的产生，但是并不是所有的核反应都会释放能量的，释放取决于反应前后生成原子核结合能的大小。

原子核结合能的大小，从质量最低的氢原子核到质量比较大的铁原子核，在变化序列里面结合能基本上是按照上升的趋势在变化的，铁原子之后元素的结合能开始下降了，核反应因为这个特点可以分成聚变反应和裂变反应两种。

• 聚变反应：结合能小的原子核结合变成较大的原子核。
• 裂变反应：结合能小的原子核裂变成结合能较大的原子核。

恒星内部所发生的是聚变反应，最简单的就是由氢的原子核来聚变变成氦的原子核，在天文学上往往把核反应形象地用燃烧或者是核燃烧来表示，但是天文学上的燃烧跟我们通常所谓的燃烧在物理含义上是完全不一样的，核燃烧是指核的聚变反应，而我们日常生活里面的燃烧是化学反应。

在恒星内部所发生的燃烧过程最常见的是氢原子核的聚变反应，也就是由4个氢的原子核，更准确地说是4个质子聚变成为一个氦的原子核，在这个过程里两个正电子被释放出来了，还有一个中微子也被释放出来了，主要的能量是以光子的方式来表达的，之所以有能量释放出来因为在反应前后有了质量亏损。

氢的燃烧或者核反应的过程虽然非常简单，但真实的核燃烧过程是相当复杂的，当氢原子核通过核反应生成了氦原子核之后，物理条件能够使得氦原子核继续进行反应的话，那么它会通过三个氦原子核进行聚变生成一个碳的原子核，这个是氦燃烧的过程，同样也会释放能量，氦原子核发生核反应所需要的温度氢的原子核核反应的温度要高很多。

由氦就可以生成碳原子核，接下来依次是更重的元素进行核反应，从碳燃烧可以生成镁、钠、氖、氧等等元素，然后再到氧的燃烧产生硫、磷、硅等等这些元素，接下来进行的是硅燃烧可以生成镍、铁等等元素，所以依次进行的核反应就可以不断地释放能量来供给恒星使得恒星能够放光

上述提到的核反应并不是在恒星的星体里面发生的，只是在恒星最中心的区域里面进行，因为只有在这个区域里面粒子所具有的温度、密度和压强才可以使得它能够进行聚变的反应，所以恒星能够使用的燃料只集中于它最核心的区域，通常称这个区域叫做‘核反应区’或者‘核心区’。

不同的重元素燃烧对温度的要求是不一样的，越重的元素它需要越高的温度才能够进行燃烧，但从恒星角度来讲越往中心它的温度是越高的，所以在核心区域进行核反应的时候，根据温度的从低到高的变化，越晚形成的越重元素越靠近恒星最中心的区域，越早形成比较轻的元素就分布在比较外的区域，从内向外元素的质量是从高到低进行排列的。

当恒星的最核心区域形成了铁，在接下来的聚变反应就不可能再进行了，因为铁原子核的结合能量是最高的，所以不可能通过聚变反应再释放能量，当恒星内部形成了铁这个时候核反应在核心区就停止了，恒星的生命在这个时刻也即将结束了。

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【作者：黄姤】

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