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基本粒子致使热核聚变和恒星演化[2]http://www.sciencehuman.com 科学人 网站 2005-04-16
一、引 言 我们知道，恒星主要依靠持续热核聚变而获得大量能量的方式进行演化的.不过,当我们研究热核聚变时，现阶段仍然坚持两核素相互碰撞形成为一个复合核的理论.恒星的核聚变行为被两种核循环即质子循环和碳循环简单地描述[1].然而,科学家们至今没有找到最有效的控制热核聚变方法.在可控聚变的人造等离子体中,一些科学家已经发现氢同位素的聚变产物非常多样而复杂,如下面所列方程所示[2]: T + D → 4He + n. 3He + D → 4He + p. D + D → T + p. D + D → 3He + n. D + D → any reaction. T + T → any reaction. T + 3He → any reaction. 在这些反应中总是存在大量的质子、中子甚至电子.为什么对于氢同位素的每一种反应都具有多样性的产物呢?然而,没有人断明这些基本粒子[3]产生的根本原因. 尽管一些科学家根据爱因斯坦相对论理论推导,依然坚持核内没有电子存在[1,3]，但是，还有一些科学家已经收集了许多关于原子核发射和接受电子的证据,诸如β衰变、K俘获 [1,3] 以及那些携带某一能量的电子轰击核产生中子[3,4,5].这些事实充分说明核能够容纳一定能量的电子.我认为,电子能够参与核反应的观点是非常重要的,尤其是像热核聚变这样具有大量电子的系统.但这方面几乎被忽略了.一些物理学家仅承认当等离子体密度ρ为 1010~1014kg/m3时有关系p + e → n +υ 发生[6].我认为,电子应该被看成是一种可以独立的实物粒子,而不是虚拟的粒子. 特别是，当电子轰击Li, Be, Pd, Pb [4,5]等元素时,容易产生大量中子，尽管这些不具电荷的中子像它逃逸一样也容易同其他核结合. 我们认为,同样地,电子能积极参与热核聚变活动,容易与轻核发生反应,被轻核所俘获.所以,对于热核聚变, 我就此提出一种新的核循环模型,即各种核素循环忠实依赖于大量基本粒子循环和轰击.尤其是,这个模型还直接与电子俘获有关. 简单地说,在热核聚变过程中,存在大量携带某种能量的电子轰击轻核,以致于产生大量的中子;于是,大量中子轰击其余的轻核产生出大量的轻核超核素[7];这样,大量的超核素产生β等衰变形成各种更重核;同时,衰变电子等基本粒子能重新回到参与热核反应.基本粒子能使得基本粒子核反应和各种核保持一种循环状态. 当然,这些核反应总是在恒星中同时发生.这就是热核聚变的多种核循环模型,即各种各样的核循环忠实依赖于基本粒子循环和轰击.接下来,我们将进一步探索这个模型. 二、基本粒子促成热核聚变 在恒星中总是存在大量以氢为主的等离子体,所以主要依靠氢等离子体的频繁热核反应能够持续.由于等离子体的复杂运动,他们活泼的行为还不能被现有的所有理论精准地描述.两个轻核直接形成复合核的热核聚变理论是不够完善的.因为它仅仅依靠一个简单的事实,就是二十世纪30年代实验室采用氘粒子束轰击氘靶产生中子的现象做出的结论.这种论断随着试验的进展同样缺乏更多的支持.迄今为止,没有人宣称已经观察到核聚变就是这样简单的合成过程.实质上，两个正电荷核的复合过程需要足够的能量去克服库仑斥力,而且持续热核聚变决不是一般持续力量环境所能够达到的. 但是,电子的荷质比在所有带电粒子中是最高的,因而在等离子体的电磁场中电子比其它像氦和质子等大粒子更容易被加速而获得能量.一个电子携带一个负单位电荷并对核保持着库仑吸引力,所以只有携带某种能量的那些电子容易为核所俘获.电子被氢核俘获的几率远高于两个质子结合.事实上,在实验室,一些物理学家在后来又陆续发现了许多核素都可以迫使轨道电子发生俘获[1,3,7].这些事实更加表明电子碰撞入核的几率更高于两核直接结合.因为,我们也始终没有发现两个核可以依靠自身自动结合形成为一个复合核.因此,在热核聚变中电子被轻核俘获的观点是非常重要的. 下面，我们将以氢等离子体进一步讨论这个热核聚变模型. 1、热核聚变最简单模型 电子和中子的轰击对于热核完成聚变有非常独特的贡献.特别是电子轰击氢核产生中子,并且释放大量的能量.这些核反应使得氢等离子体系统拥有必备的中子数量去积极推动热核聚变.如下列第一组核反应方程<1>： p + e → n +υ+ΔE d + e → 2n +υ+ΔE 3H + e → 3n +υ+ΔE 一般地说,电子轰击轻核也将产生中微子.在这些公式中, ΔE表示以电磁波形式释放的能量,还可能随着每个等式中电子的能量不同而不同. 从上面核反应方程来看,氢核接受一个电子就会减少一单位电荷,这样氢核素就能够转变成一个中子或几个中子或一个暂时的几个中子组构体.由于中子自有的中性,他们更容易靠近其它的氢核并导致新的核反应发生.所以,中子碰撞进氢核变为新的核,尽管这些反应如同电子轰击氢核的情形一样有不同的反应截面.这样,假如氢核不断地接受几个中子,他们就会转变成为氢元素超核素,甚至产生6H 、7H等氢超核素.如下列第二组核反应方程<2>所示: p + n → d d + n → 3H 3H + n → 4H 4H + n → 5H 5H + n → 6H 6H + n → 7H … 我们知道,超核总是具有严重的放射性如像发生β衰变和γ衰变或者α衰变等等.同种元素的超核素越重放射性越强.当超核素根据自己的能量决定放射比如电子一类等负性基本粒子时,超核素能演变为下一原子序数核.因而，氢超核素能演变为氦核和锂核等等.如下列第三组核反应方程<3>所示: 3H → 3He + e +υ+γ 4H → 4He + e +υ+γ 5H → 5He + e +υ+γ 6H → 6He + e +υ+γ 7H → 7He + e +υ+γ … 5H → 4He + n + e +υ+γ 6H → 4He + 2n + e +υ+γ 7H → 4He + 3n + e +υ+γ … 5He → 5Li + e +υ+γ 6He → 6Li + e +υ 7He → 7Li + e +υ+γ 7He → 6Li + n + e +υ+γ … 从上面核反应方程<1><2><3>,我们可以得到最简要的结论:从氢到氦的复合核形成不可能通过仅仅一次核反应过程就能完成,而它至少是一系列核反应组成的一个有机的连续过程.当然，在上面所有的核反应方程中，核电荷完全能够守恒.在热核聚变系统中,当电子数量减少时,相应地存在超核素以及中子、伽马射线逐渐增加.同时,来自β衰变的逃逸电子经过系统加速能重新回到与其它氢核素一起促成新的核反应.这里,电子已经开始了循环. 然而,热核聚变系统中粒子的活动方式决不会停顿在上面过程<1><2><3>,即我们已经指出的最为简单的热核聚变模型.系统将继续生产出大量新的复合核.热核反应总是非常复杂的. 2、多电荷核的产生和循环 不同的超核素具有不同的半衰期,因而,许多超核素可以拥有衰变能力但并不立即发生.这样,大量中子还能碰撞进氦、锂等核以及他们没有衰变的超核素,并且产生出更重的超核素甚至超重超核素.如下列第四组核反应方程<4>所示: 3He + n → 4He 4He + n → 5He 5He + n → 6He 6He + n → 7He 7He + n → 8He … 6Li + n → 7Li 7Li + n → 8Li 8Li + n → 9Li … 7Be + n → 8Be 8Be + n → 9Be 9Be + n → 10Be … 8B + n → 9B 9B + n → 10B 10B + n → 11B 11B + n → 12B 12B + n → 13B … 同样地,由于不同的超核素存在不同半衰期,大部分氢超核素并不能在热核聚变的任何时刻立即产生衰变.因而,许多电子也能同氢核超核发生核反应,尽管这些反应同样具有不同反应截面.如下列第五组核反应方程式<5>所示: 4H + e → 4n +υ+ΔE 5H + e → 5n +υ+ΔE 6H + e → 6n +υ+ΔE … 3He + e → 3H +υ+ΔE 4He + e → 4H → 2H + 2n +υ+ΔE 5He + e → 5H → 2H + 3n +υ+ΔE 6He + e → 6H → 2H + 4n +υ+ΔE 7He + e → 7H → 2H + 5n +υ+ΔE … 6Li + e → 6He +υ+ΔE 7Li + e → 7He +υ+ΔE … 6Li + e → 6He→ 4He + 2n +υ+ΔE 7Li + e → 7He→ 4He + 3n +υ+ΔE … 7Be + e → 7Li +υ+ΔE 8Be + e → 8Li +υ+ΔE 8Be + e → 7Li + n +υ+ΔE 8Be + e → 6Li + 2n +υ+ΔE 8Be + e → 4He + 2H +2n +υ+ΔE 9Be + e → 9Li +υ+ΔE 9Be + e → 9Li→ 7Li + 2n +υ+ΔE 9Be + e → 9Li→ 6Li + 3n +υ+ΔE … 8B + e → 8Be +υ+ΔE 9B + e → 9Be +υ+ΔE 10B + e → 10Be +υ+ΔE 11B + e → 11Be +υ+ΔE 12B + e → 12Be +υ+ΔE 11B + e → 11Be→ 9Be +2n +υ+ΔE 12B + e → 12Be→ 9Be +3n +υ+ΔE … 从上面核反应方程<5>看,超核俘获电子又已经形成了中子的循环.同时,最简单形式的核循环也出现在了系统中. 同时,许多氦超核基于他们自己的能量状态发生β-衰变而转变为锂,锂超核可以转变为铍核等等.此外,一些核素可能发生β+衰变;少量轻核超核还存在如8He 等双β-衰变.正如下列第六组核反应方程<6>所示: 5He → 5Li + e +υ+γ 6He → 6Li + e +υ 7He → 7Li + e +υ+γ 8He → 8Li + e +υ+γ 8He → 8Li + n + e +υ+γ 8Li → 8Be + e +υ+γ 8Li →24He + e +υ+γ 9Li → 9Be + e +υ+γ 9Li →24He + n + e +υ+γ … 8Be →24He +γ 10Be → 10B + e +υ 11Be → 11B + e +υ … 12B → 12C + e +υ 12B → 7Li + 4He + n + e +υ 12B → 6Li + 4He + 2n + e +υ 13B → 13C + e +υ 13B → 12C + n + e +υ … 5Li → 4He + e+ + n +υ 5Li → 5He + e+ +υ 7Be → 6Li + e+ + n +υ 7Be → 7Li + e+ +υ 8B → 8Be + e+ +υ … 综合分析上面核反应方程<1>至<6>可以看出,至此阶段正好轻核循环完整出现.一方面,当轻核俘获电子,核电荷数必定减少被俘获电子数目;但另一方面,假如轻核超核素发生β-衰变并发射电子,它的核电荷数必定又增加电子所逃逸的数目;同样,发射正电子核电荷数又会减少电子所逃逸的数目.这样,整个热核反应正好保持一种各式各样核循环的状态,不过这些核循环必定忠实依赖基本粒子的循环和轰击. 基本粒子频繁地出入原子核,实质上,它们也是以这种方式在维持它们自己不停地循环.很明显,在热核聚变中存在两种循环,也就是各种核循环和基本粒子自身循环.因而,核聚变模型可以被命名为双循环模型,即忠实依赖于基本粒子循环和轰击的多核循环. 所以,依据这个聚变模型,一旦热核聚变系统建立,各种超核和多电荷重核就能持续生产出来.这样一来,我们在核聚变系统中就能发现各种粒子包括从电子到质子、氦、锂、铍…甚至延伸到各种超铀核.而且,核的循环水平和数量以及种类总是逐步增加直到氢等离子体差不多消耗完毕. 因为等离子体包容巨大量的各种粒子以及各式具有不同反应截面的核反应,而且聚变过程也不可能一步完成,所以,等离子体中的所有粒子绝不可能瞬时耗尽而形成某种超重核.因此,一些巨大的恒星系统能够保持一个非常长的时间甚至超过数百亿年维持热核聚变. 此外,在热核聚变中,产生出的伽马射线也能引起各式各样的核反应.而且,存在e+和e-作相互有效碰撞的产物.甚至存在电子或正电子同中子发生碰撞的反应.这些都充分说明热核反应是非常复杂的.准确地说,几乎所有依赖基本粒子轰击的核反应都能够在热核聚变中被发现.上面每组核反应并不单独出现,而是所有核反应总是在热核聚变系统中同时不断地发生,尽管这些反应发生的数量不尽相同.
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