天体物理中的核物理

这是我上原子核物理专题讲座写的论文,算是科普了吧,拿出来给大家看看。好多东西都还没有写进去,一是时间不多,二是论文限制了字数3000字,不好发挥,呵呵。

探索星空的奥秘是人类长久的梦想,现代物理学的发展更为此提供了广阔的机遇。随着核物理研究的不断成熟与深入,其知识被逐渐应用到天体物理研究当中,极大的增进了我们对宇宙的了解,也为核物理自身的发展提供了动力。
核物理过程是宇宙中普遍存在的现象。原子核的结构及其相互作用支配了恒星中能量的产生,核反应推动了天体的演化并导致宇宙中各种元素的合成。星系的化学史及元素丰度分布的研究也紧紧依赖于核物理的发展。核物理过程为研究星体内部结构提供了窗口,同时也是理解早期宇宙演化,以及宇宙大尺度结构形成的关键。
近年来,随着观测技术的不断提高,宇宙的更多细节被揭示出来。通过对核过程理解的不断深化,天体物理学的研究进入了一个黄金年代,核物理也逐渐进入天体物理学研究的各个领域。
一、大爆炸核合成
核物理为我们提供了一个绝佳的窗口去了解宇宙的早期状态、当前的大尺度结构及其未来的演化。标准大爆炸模型认为,在大爆炸后100秒,宇宙主要由均匀的、迅速膨胀的热(1 MeV)质子和中子气组成。随着其膨胀冷却,质子和中子在核力作用下形成4He,以及少量的氘、氚、3He和7Li等原子核。宇宙最初三分钟内形成的1H和4He为104年后恒星的形成提供了最原始的材料。
在标准大爆炸核合成模型中,唯一自由的参数是宇宙中重子物质的密度,其大小直接影响着理论计算的元素原初丰度的结果。不同的核反应率给出不同的重子密度值,因此通过提高核物理实验中核反应截面的测量精度,可以改进大爆炸模型的预言,使其结果与天文观测得到的元素丰度以及光子密度值更好的符合。

二、恒星的演化
恒星的演化过程是其内部热核反应的直接结果,不同的演化阶段可以与特殊的核反应过程相联系。恒星演化的绝大多数时间都以主序星状态存在,此时恒星内部主要依靠氢聚变为氦的燃烧过程来提供维持其稳定的能量。通过利用成熟的相关核物理知识,可以深入研究恒星的结构及其演化过程。
氢的燃烧过程
氢燃烧时期是恒星演化的最主要阶段。对于质量小于1.5倍太阳质量的恒星来说,氢到氦的转化主要通过pp链过程来进行。值得提出的是,在这些反应中,3He(α,γ)7Be和7Be(p,γ)8B俘获反应有特殊的意义。由于7Be和8B的衰变会释放出高能的太阳中微子,对其反应率的精确测量将有可能揭示太阳中微子缺失之迷。
而对于质量大于1.5倍太阳质量的恒星,其核心温度更高,除了可以通过pp链形成4He外,1H还可以通过CNO循环转化为4He。其中碳、氮和氧可以视为反应的催化剂。此外,在恒星演化的后期阶段,还可能有Ne-Na循环、Mg-Al循环等更多的核过程参与。这些过程中产生了例如26Al等特殊的核素,可以作为星光谱测量中的重要工具,来与理论给出的相应丰度值进行比较。
氦的燃烧过程
当恒星核心的氢燃烧殆尽时,温度降低,热辐射压不足以平衡万有引力,导致星体收缩。收缩的结果使得恒星核心温度再次升高,引起氦的燃烧。此阶段以三α过程开始,即三个α粒子聚合成一个12C原子核,此后经历一系列的α俘获反应,例如12C、14N、16O、20Ne等对α粒子的俘获过程。其中,反应12C(α,γ)16O有很重要的意义,它决定了参与氦燃烧的核心的质量,也固定了碳氧元素比,由此直接影响了星体后期的所有演化过程。
恒星演化的后期阶段
对于质量超过8倍太阳质量的恒星,核心氦燃烧过程结束后还可以引发更进一步的碳、氖、氧甚至硅的燃烧。这些过程的主要物理机制是重离子聚变和光致分裂反应,依赖于12C和16O的聚变以及其后聚变产物的α和质子俘获。碳燃烧的主要机制是两个12C的聚变反应,生成24Mg、23Na、23Mg、20Ne、16O等产物。在碳燃烧阶段的最后,温度进一步升高,20Ne的光致分裂变得重要,这产生了很短的氖燃烧阶段,反应产物为24Mg。此后,当恒星温度继续升高到2到3×109 K时,16O开始燃烧,转化为32S、28Si等更重的元素。当温度达到3到4×109 K时,28Si可以转化为56Ni。这时γ光子的能量足以引起重核的光致分裂,产生的自由质子、中子以及α粒子为更重的元素形成提供了原料。
恒星中重元素的合成
比铁重的元素中大约有一半都是通过慢中子俘获过程(s-过程)形成的。从铁峰附近的元素一直到铅、铋,重元素由一系列的中子俘获与β衰变反应逐个产生。由于中子俘获的时间尺度通常比β衰变的半衰期长许多,因此s-过程基本是沿着核素图的β稳定谷进行的。这为我们在实验室条件下探索其属性提供了很大的可能与方便。
三、超新星爆发
超新星爆发是宇宙中最壮观的事件之一。它是目前观测到的能量最强的爆炸过程,在不到一秒钟的时间内,将一个演化了上亿年的恒星撕裂成碎片。整个过程放射出1051ergs能量的光子和比光子辐射还要强100倍的中微子。许多恒星物质通过爆发释放到星际空间,大量的超重元素通过期间的快中子俘获过程(r-过程)合成出来。超新星为流体力学、广义相对论、中微子物理、原子核物理等现代物理理论的检验提供了重要的实验环境。理解超新星爆发的物理机制,不仅对天体物理学,而且对许多其他的物理学领域都相当的重要。
超新星爆发机制
目前理论认为,质量为8-30倍太阳质量的恒星在耗尽其核燃料后,热核反应不再能够阻止核心的引力塌缩,引起星体灾难性的爆发。塌缩过程是吸热反应,由此导致星体在不到一秒钟时间内自由收缩,一直压缩到核物质密度的数倍。势能的增加导致核心温度的急剧升高,引发核心的回弹,产生强烈的冲击波向外扩散。此时星体外层物质仍在向里塌缩,冲击波与此作用引起大量的重元素合成分解反应,冲击波因失去能量而终止。而核心物质,大量质子转化为中子,通过释放相当于1050瓦的灯泡能量的密集中微子辐射流,快速的冷却下来。中微子与外层高能物质的作用重新激发起冲击波的外传,将外层物质抛向星际空间,剩下核心的物质形成中子星或黑洞。
在超新星爆发的机制研究中,核物理起着特殊重要的作用。在极端高温高密条件下,核子与核子、核子与中微子、重核与中微子反应截面以及核的电子俘获率的实验研究,结果对整个爆发过程会产生根本性的影响,目前这仍是核物理中探索的热门课题。
重元素工厂:超新星核合成
爆炸冲击波在向外传播的过程中,与不同星体层物质作用,合成出不同的重元素,同时释放出大量的自由中子和质子。在高温高密条件下,进而引发富中子核的快中子俘获反应(r-过程)和质子滴线附近核的快质子俘获反应(rp-过程),比铁重的元素中大约有一半(几乎所有的滴线附近核)都是由此过程产生的。
由于整个反应过程进行的非常快,因此核衰变等因素可以不予考虑,其合成机制主要由不稳定核自身的结构性质决定,如质量、单中子分离能、能级密度等。所以,核结构模型的应用以及相关参数的实验测量就显得相当重要。另一方面,俘获率实验也不可忽视,尤其是那些决定反应路径的关键节点处。
最大的原子核:中子星
中子星,作为宇宙中最神秘的天体之一,具有极端的密度、压强和磁场条件,为现代物理学的研究提供了一个天然的实验室。利用已有的相对论量子力学、原子核物理以及粒子物理的理论来研究中子星的性质,不仅有助于我们揭开这种神奇天体的奥秘,也为现有理论模型的成功与否提供了一个绝佳的检验场所。
中子星的一些基本实验数据已经在天文观测中获得,如质量、转动周期等。对其理解需要利用到核物理的知识,因此理论中对致密核物质的研究就显得相当重要,也是目前核天体物理研究的热门课题之一。

核物理在天体物理研究中还有许多其他方面的应用,如新星爆发等。当前,核物理与天体物理学已经越来越紧密的联系在一起,由此出现的核天体物理学正蓬勃发展。随着核物理相关研究的不断深入,以及实验探测技术的不断提高,更多深奥的天体物理现象将被揭示与理解,核物理与天体物理学也必将会有更加广阔的发展前景。

参考文献:
1)核物理专题讲座讲义(Opportunities in Nuclear Science: A Long-Range Plan for the Next Decade)
2)Samuel S.M. Wong, Introductory nuclear physics, New York,(1998)
3)俞允强, 物理宇宙学讲义, 北京大学出版社,(2002)

3 评论

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  2. 学长您好,我觉得在大爆炸原初核合成的时候,主要有3个参数,一个是中子衰变的平均寿命,一个是中微子的代数,这两个决定了 最初的中子质子 数量比值,之后才是重子数密度。

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