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恆星“點石成金”﹐中子是個重要角色

來源﹕科技日報2019-05-30 09:36

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  天聞頻道

  計算機芯片所用的硅﹑航空發動機上抗高溫的鎳基合金﹑商場中陳列的黃金﹑鉑金……我們賴以生存的世界是由各種元素構成的﹐而這些比鐵更重的元素(簡稱超鐵元素)起源之謎備受科學家關注。

  近日的一項研究通過計算模擬得出結論﹐在快速中子俘獲過程產生超鐵元素的理論模型中﹐80%的超鐵元素由坍縮恆星產生﹐其餘20%則來自中子星合併。

  恆星究竟是如何“點石成金”的﹖中子在這個過程中又扮演了什麼角色﹖

  元素形成以鐵為界

  “目前比鐵輕元素的形成機制已明晰﹐而超鐵元素的起源則存在慢速中子俘獲過程(s-過程)﹑快速中子俘獲過程(r-過程)和p-過程等多種理論模型。”中國原子能科學研究院核物理研究所實驗核天體物理創新團隊研究員李志宏在接受科技日報記者採訪時表示。

  宇宙大爆炸3分鐘後﹐最原始的核合成開始了。質子﹑中子﹑光子﹑電子等在宇宙中“橫衝直撞”。在相互碰撞和結合過程中﹐氫﹑氦以及極少量的鋰﹑鈹﹑硼元素誕生了。

  後來﹐部分物質“抱團”逐漸形成了恆星。恆星內部以氫核和氦核為原料﹐不斷進行核反應﹐生成更重的元素﹐並釋放出能量。

  “由於原子核均帶正電荷﹐兩核之間的結合需要較高的溫度條件以克服同性相斥的庫侖力。元素越重﹐帶電量越大﹑庫侖力越大﹐形成該元素所需的溫度就越高。”李志宏舉例﹐當恆星溫度超過30億攝氏度時﹐才能形成原子序數為14的硅元素﹐硅元素再與其他核素反應形成更多元素﹐直到原子序數為26的鐵元素為止。

  “恆星的核燃燒階段形成的最重元素為鐵元素﹐這是因為鐵元素的比結合能最高。” 李志宏進一步介紹﹐質子和中子等核子結合成原子核不容易﹐而將已經形成的原子核拆開也需要能量﹐這種能量被稱為原子核的結合能﹐而結合能與核子數目的比值被稱為該原子核的比結合能﹐即拆開原子核時﹐平均到每個核子上所需的能量。比結合能越高﹐說明原子核越不容易“散架”。

  鐵元素的結合能最高﹐這意味著什麼﹖“鐵元素為核反應放熱和吸熱的‘分水嶺’﹐若生成鐵之前的元素﹐反應放熱﹐恆星昇溫﹔生成超鐵元素﹐反應吸熱﹐恆星冷卻。”李志宏告訴科技日報記者﹐恆星一旦冷卻﹐便無法再提供足夠的溫度克服下一個元素合成的庫侖力﹐核反應鏈便在鐵這裡“戛然而止”了。

  中子助力原子核“增重”

  恆星核燃燒過程祗能形成比鐵輕的元素﹐那麼我們周圍的金﹑銀﹑鉑等超鐵元素從何而來﹖

  在三類主要的超鐵元素理論模型中﹐有兩類均與中子有關。李志宏指出﹐由於中子呈電中性﹐在參與核反應過程中沒有庫侖力的困擾﹐因此學界認為絕大多數的超鐵元素是通過鐵“種子”俘獲中子而產生的﹐並根據“抓到”中子的相對速度有了快慢之分﹐p-過程則可以解釋30余種無法通過中子俘獲產生的豐質子核素(p-核)的謎團。

  “慢速中子俘獲過程通常發生在紅巨星階段﹐可產生宇宙中現有超鐵元素約一半數量的超鐵元素。”李志宏指出﹐隨著紅巨星不斷燃燒﹐其內部的碳氧核心可產生中子﹐成為主要的中子源。當鐵原子核抓到中子時﹐原子核內便不再“穩如泰山”了。在下一個中子被俘獲之前﹐不穩定的鐵核會進行β衰變﹐核內的一個中子轉變為質子。元素周期表中位列第27位的鈷元素就此誕生。鈷核再俘獲中子﹐便可產生更多的重核。“目前學界已通過理論計算及實際譜線觀測逐漸證實了該模型的科學性。”

  “快速中子俘獲過程通常發生在核心塌縮的超新星爆發或兩個中子星合併過程中﹐可產生約一半的超鐵元素。”李志宏表示﹐這兩種天體活動中﹐大量的中子噴射而出﹐一個原子核會被中子包圍起來﹐因此俘獲中子是件迅速且輕而易舉的事﹐從鐵“種子”一步步生成鈾只需1秒。

  大部分元素都能通過以上兩種中子俘獲過程產生﹐還有約1%的超鐵元素是通過p-過程產生的。目前﹐科學家還未揭開p-核形成的全部奧秘﹐其發生過程有待進一步探索。

  “核過程研究不僅致力於尋找宇宙元素的起源﹐還為我們提供了一個‘看見’恆星內部深處的窗口﹐認識恆星中能量產生的過程以及演化歷史。”在李志宏看來﹐這些謎團的探索也會助力人們開發新的核能源﹐為國防建設和國民經濟發展服務。(于紫月)

[ 責編﹕武玥彤 ]
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