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2013 年 8 月 3 日

太陽系的前世今生 (215):氘-氚核融合

影像提供 : 維基百科
文字提供 : 陳輝樺 (NMNS )  

說明 : 太陽 (sun)是一顆由 電漿態離子氣體 (Plasma) 組成的 典型恆星 (Stars)。直徑約 140 萬公里約是 地球直徑 的 109 倍。 太陽組成份大約 71% 的成分是氫,27% 是氦,及其它元素佔 2%。既然, 深藏在太陽內部的各種氣體密度、溫度和成份都已被推測出來,使天文物理學家可以推測這些氣體的核反應過程, 以及太陽的形成年齡。 為了要瞭解太陽的結構,我們在本節將由太陽的內部往表面略分三道問題,在接續討論裡來試行瞭解:

        一、太陽的內部的能量是如何產生的?

        二、內部產生的這些能量如何地傳輸到太陽的表面?

        三、什麼因素維持著目前太陽不會收縮也不會膨脹的穩定狀況呢?

        核融合 (nuclear fusionNucleosynthesis) 是指由 已經存在 質量 (Mass)小的原子核(內含質子 (Proton,p) 或中子 (neutron,n))創造出較重的新原子核過程。例如說 (deuterium2H)和 (tritium3H), 在超高溫和高壓條件下發生原子核互相聚合作用,生成中子氦-4 (helium-44He) 並伴隨著原子核之靜質量變化, 根據 質能方程式 E = Δmc2 釋放原子核中蘊藏巨大的能量。 式中 Δm 為 4 個氫原子核質量 (= 6.693 × 10-27 公斤,4 個質子) 減去 1 個氦原子核質量 (= 6.645 × 10-27 公斤,2 個質子和 2 個中子) 的質量差 (= 0.048 × 10-27 公斤,約佔原質量的 0.7%),一次氫核融合成氦的反應可以產生的能量為 E = 0.43 × 10-11 焦耳。 如此小的能量怎能維持恆星的內部穩定?對太陽而言,若要維持穩定狀態,則需每秒鐘約 1038 次的這種核融合反應; 即約每秒 500 萬噸的質量轉換成能量,才夠抵消太陽自身重力的收縮。

        自 1824 年,德國物理學家約瑟夫•馮•夫朗和斐Joseph von Fraunhofer,1787.3.6.-1826.6.7.) 發現了 太陽光譜中的譜線 ,1868 年又在太陽光譜中發現了一種新的元素,取名為helium,意為太陽神),科學家開始注意到 太陽表層的氣體成份 ,以及它們的來源。 在 1920 年,英國天文物理學家亞瑟•愛丁頓 (Arthur Stanley Eddington,1882.12.28.-1944.11.22.)首度提出恆星的能量來自於將氫融合成氦的核融合反應。 恆星核融合是在恆星的核心內進行,能將輕的元素燃燒成更重的元素的核反應總稱。 長期以來產生太陽的光和熱的能量來源是核融合反應,在太陽內產生能量的主要核融合反應是將氫融合成氦的核融合,它至少要絕對溫度 300 萬  K 的高溫才能進行。

        在 1939 年,美國天文學家漢斯•貝特Hans Albrecht Bethe,1906.7.2.-2005.3.6. )分析了氫融合成氦的可能過程, 他選擇了兩種認為可能發生在恆星內產生能源的機制。第一種是質子 質子鏈反應 (Proton-Proton Chain) , 是質量像太陽或比太陽輕的恆星產生能源的主要過程;第二種是碳氮氧循環 (CNO cycle), 是質量比太陽大恆星的主要能源;這些反應產生的能量能持續維持恆星內部的高熱。

        在 1946 年,英國天文學家 弗雷德•霍伊爾 (Fred Hoyle,1915.6.24.-2001.8.20.) 提出論點認為相當熱的恆星最終可以創造出 (26Fe)元素, 並在 1954 年導出融合步驟,指出恆星如何合成從碳至鐵的元素。 1957 年,霍伊爾和英國天文學家伯比奇夫婦 ─ 愛蓮娜•瑪格麗特•伯比奇 (Eleanor Margaret Burbidge,1919.8.12.-) 傑佛瑞•羅納德•伯比奇 (Geoffrey Ronald Burbidge,1925.9.24.-2010.1.26.)、美國天體物理學家 威廉•福勒William Alfred Fowler,1911.8.9.- 1995.3.14.) 四人提出了恆星內部核融合的元素合成理論(即著名的 B²FH 理論),並列舉出重元素被觀測到的豐度分佈情況。 上圖示氘 ─ 氚(D-T)的核融合反應產生(He)與中子(n)過程, 期間每次釋放出約 17.6 MeV (1 MeV = 1.602 × 10-13 焦耳) 的核能。

明日主題 : 太陽系的前世今生 (216):質子-質子鏈反應 (Proton-Proton Chain)
天文史上的今天 : 2004 年 8 月 3 日,為了研究 水星 表面的化學成分、地理環境、磁場、地質年代、核心的狀態及大小、自轉軸的運動情況、散逸層及磁場的分布等,美國航空暨太空總署 (NASA)信使號(MESSENGER)順利升空前往水星。
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