基本粒子致使热核聚变和恒星演化[3]

http://www.sciencehuman.com   科学人 网站  2005-04-16

3、热核聚变的相当复杂性

一般地,大型恒星中的核反应总能保持很剧烈状态.但是,对于同一恒星的内部,不同性质带电粒子分布又是极为不均衡的.当过量电子在系统某些区域数量较大时,像上面核反应<1>和<5>将更频繁发生.同样地,假如在系统某些区域过量中子数量较大时,核反应<2>和<4>将高频率出现.而且,当电子数量相当不足时,各式各样超核素将频繁发生β衰变;中子数量严重缺乏时,带电粒子核反应将频繁出现而形成必要的中子.

不过,公式<3> 和 <6>的衰变电子不同于公式<1>和<5>的轰击电子.因为, 公式<3> <6>中的电子是携带低能量的冷电子,而公式<1> <5>中的电子是携带较高能量的热电子,它们的作用是完全不同的.冷电子必须被加速获得能量才能转变成热电子而被原子核所俘获.

因而，不但超核素的频繁衰变而且基本粒子频繁地被俘获都同样受控于系统环境.如果基本粒子的数量在某些区域非常富足,系统有充分的条件去生产出相当大量的各种各样超核素和多电荷核.当那些基本粒子在环境中非常缺乏时,大量超核素将会产生各种衰变以致于完整地补足不可缺少的基本粒子数量,除非聚变系统崩溃到彻底不可匡扶的地步.当基本粒子轰击数量大量而快速地减少时,超核素的衰变行为将变得更加频繁.所以,除非氢等离子体和超核素数量非常缺乏,这种弹性机制总能被持续维持.在热核聚变系统中,各种影响因子的每一种变化都能使系统做出积极的响应.系统总能保持它的适应性,并能够使得系统结构如此稳定以致于长时期不会被破坏.

实质上,轻核的循环完全是各种轻核借助“媒介工具”即基本粒子,快速而充分地交换能量的过程.而且,大量超核素在维持基本粒子不可缺少量方面具有重要影响,尽管它们的形成需要消耗掉大量的氢等离子体.大量重核生成意味着空出大量空间,因为一部分氢等离子体挤占的空间被收缩在了超核素和多电荷核中.所以,整个恒星系统为了能一直保持它自身的能量结构的十分稳固,它通常会逐步收缩在有限空间范围内而补足空闲的空间并增加等离子体密度和缩短粒子的运动时间.

即使像那些中子、中微子等中性粒子容易从系统中逃逸,但是在恒星中像能够同快中子发生弹性碰撞的氢核数量相当巨大,这就间接地阻止了它们的逃逸.最后,这些中性粒子的速度和动量是不高的,以至于大部分中性粒子不能逃逸出恒星系统,而是又积极回到参与热核反应中去.

而且,当一定高能量的电子撞击某些核时,可能产生一些快中子以及更多的中微子.如果这些快中子轰击某些核和超核,一些核可能发生核裂变，例如³He或⁵He或⁷Li或⁸Li等同中子的碰撞.如下列第七组核反应方程<7>所示:

⁶Li + n → ⁴He + ³H +γ

⁷Li + n → ⁴He + ³H + n +γ

⁸Li + n → ⁴He + ³H + 2n +γ

⁸Li +γ→2⁴He + e +υ+γ’

⁷Be + n →2⁴He +γ

⁸Be +γ→2⁴He +γ’

⁸B + e →2⁴He +γ

⁹B +γ→2⁴He + e⁺ + n +υ+γ’

      …

除了一些中子以外,其他高能量基本粒子也能够引起核裂变.例如<7>中的⁸Li 和⁸Be和⁹B, 它们应该是由于伽马射线激发引发的核裂变行为. ⁸B应该是电子引发的核裂变.这些裂变行为同样是非常重要的,也是不可忽略的.核裂变都能使核电荷数减少得更多,并使得核循环进入更深的层次.核裂变也是一些核素的重要性质之一.

同时,我们也应该注意另一些中子反应.它们对于核循环同样有重大贡献.它们能生产出另一种新能量状态的更小质量核素粒子,尽管没有产生出电子、中子等一类基本粒子.如:

³He + n → ³H + p +γ

⁴He + n → ³H + d +γ

⁵He + n → 2³H +γ

⁶Li + n → ⁴He + ³H +γ

¹⁴N + n → ¹⁴C + p +γ

…

总之,中子核反应是极其复杂的^[8],远非仅有我们上面已经列举到的所有形式.实际上,还有许多复杂的反应由于篇幅有限我们没有涉及到.

此外,对于诸如中微子和伽马射线以及X射线等引起的核反应也是非常重要的,因为它们同样影响并参与核循环过程.它们使得各种粒子包括各种轻核和重核拥有不同的能量状态,并决定它们所产生的粒子和衰变方式.同质异能核素^[1]的存在就是一个证明.如下面第八组核反应方程<8>所示:

d + γ → d^* → p + n + γ’

⁹Be + γ → ⁹Be^* → ⁸Be + n + γ’

⁸Be + γ → ⁸Be^* → ⁷Be + n + γ’

⁸Be + γ → ⁸Be^* → ⁷Li + p

⁸B +γ→ ⁸B^* → ⁸Be + e⁺ +υ+γ’

…

总之,基本粒子的种类和数量越多,核循环也必定变得越来越复杂.不过,对于电子中子以及伽马射线等引起的核反应总是热核聚变的主要方式,因为恒星中存在大量这些粒子.这当然包括一些核做某些衰变,例如α衰变等,但也完全需要根据它们自己的能量状态来决定其衰变方式.

而且,在恒星内部完全可能存在电子和中子或超中子碰撞并产生反质子和超反质子甚至一些反原子核.但是,反原子核的数量是极少的,除非在系统的某些区域中有集中的过量电子.当然,这些反粒子也能积极参与热核循环活动.像下列第九组粒子反应公式<9>所示:

n + e → p^- +υ

p^- + n → d^-

d^- + n → ³ _-1H

…

³ _-1H  →  ³ _-2He + e⁺ +υ

…

p^- + e⁺ → n +υ+γ

p^- + e⁺ → K⁰+π⁰ +υ+γ

p^- + p → 2n +υ+γ

p^- + p → Λ + K⁰+π⁰ +υ+γ

p^- + p → n + Λ +υ+γ

p^- + d → n + Λ + K⁰+π⁰ +υ+γ

p^- + d →2Λ + K⁰+π⁰ +υ+γ

p^- + d → 3n +υ+γ

…

此外,另一些也存在于热核聚变中的基本粒子如像正电子,中微子, 正负µ粒子,正负介子以及Λ粒子等粒子, 除了同轻核或中子碰撞以外,它们之间也都能相互碰撞.同样,每一种反应具有不同的反应截面.例如,正电子和负电子完全能结合形成电偶极子. 下列是现今已知基本粒子之间应存在的反应公式<10>:

e + e⁺ → e^±+γ

e + e⁺ →υ+γ

e +μ⁺ → e^±+υ+γ

e⁺ +μ^- → e^±+υ+γ

μ⁺ +μ^- →μ^±+γ

μ^±→ e + e⁺ +2υ

μ^±→ e^±+2υ

μ^- + p → n +μ^±+γ

π^- + p →π⁰ + n +υ+γ

π^- + p → Λ+ K⁰+υ+γ

π^- +π⁺ → K⁰ +υ+γ

e +π⁺ →π⁰ +υ+γ

e⁺ +π^- →π⁰ +υ+γ

e^±+γ→ e + e⁺

μ^- +γ→ e +υ

μ⁺ +γ→ e⁺ +υ

υ+γ→ e + e⁺

π^- +γ→π⁰ + e +υ

π⁺ +γ→π⁰ + e⁺+υ

n +γ→ n^*→ p + e +υ

p +γ→ p^* → n + e⁺ +υ

…

当然,根据库仑定律,电子轰击轻核的几率高过重核,但中子撞击重核的反应截面就比轻核大.不过,正电子, 正µ粒子,正介子等带正电核基本粒子需较高能量才能碰撞入核.它们轰击核的反应截面通常较小，远不及电子对核的轰击容易,相比较它们更容易同带负电荷的基本粒子相互结合.无庸置疑,在热核聚变中,这种性质是非常重要的.

尽管多电荷核循环忠实依赖基本粒子循环和轰击是热核聚变的主要方式,但我们也不能忽略两个轻核可以直接相互碰撞而形成一个复合核的存在事实,例如质子或α粒子直接轰击轻核.不过,这些事例在热核聚变中通常是相当少的,除非两轻核具有足够大的动量差.

而且,根据双循环模型,一个多电荷核能收集一些像电子、质子等带电基本粒子.因而,特别是当大量重核被生产时,这种收集过程意味着电场分布和等离子密度可以突然而快速地被改变.实际上,这些多电荷核粒子的聚集活动意味着电磁场放大一定倍数去影响在它们周围的带电基本粒子.这种效应对于加速带电基本粒子参与热核聚变双循环活动同样是非常重要的.

不仅基本粒子撞击各种核的方式十分复杂,而且从恒星系统逃逸的基本粒子数量和种类也是相当惊人的.我们知道,中微子是极容易逃逸的.电子轰击轻核以及许多核素进行衰变都能产生中微子,但并不是所有的核反应都产生中微子;并且,中微子也能参与热核聚变双循环而保持系统的动态平衡,所以,太阳辐射中微子的总量是十分有限的,尽管我们至今还不十分清楚这种作用过程. 很可能这种模型对于解决所谓太阳中微子缺失问题^[6]相当有用.

我们应当注意到,太阳中像⁸B衰变释放可探测性的高能量中微子事件还是很稀少的.因为按照热核聚变双循环系统模型不可能出现大量的形成β⁺衰变的核素,例如⁸B.很显然,⁸B生成必须依赖像⁶Li同⁴He碰撞,或者⁷Be同p碰撞等核反应才能产生.当然,两核直接融合所需要的条件是很苛刻的、特殊的,因而也是不寻常出现的现象.高能量中微子流可能在太阳喷发表现出这种激烈热核反应时更容易被仪表检测到.所以,这种能量下的中微子流量必须结合上的⁸B具体丰度.没有一定丰度是不可能获得稳定流量的中微子流. ⁸B丰度相当低也是热核聚变双循环模型成立的一个有力证据.

4、各种核丰度和它们的波动

作为双循环聚变理论,轻核能逐步地通过热核反应演化为各种重核甚至超铀核素.它十分清楚地表明随着恒星的演化推移,各种核反应必定变得越来越复杂,包括超核等核素的种类和数量也必定变得更加丰富.特别是,一些超核素有较长的半衰期,而另一些就非常短暂,这样,各种衰变能不断产生出更多种类的核素.那些不稳定核素包括超核素总是转变为更稳定的核素.

因此,在恒星中必定存在各式各样核的丰度比率.恒星不仅包括氢、氦、锂、铍等轻核的循环,而且包括钠、镁、铝、硅、磷、硫…钾、钙、钛…铁、钴、镍、铜…等中等核循环,甚至发展向超铀核素.随着稳定核素的增加,一些核将变得越来越多,因而某些核必定具有较高的丰度值而存在于恒星任何时间^[6],并且,这些丰度值总是逐步从轻核移向重核并扩大.不过,某种核为最大丰度值也同样存在于恒星中.

同时,在热核聚变系统中必定长时间存在各种核微弱的丰度值波动.一些核减少而另一些核相应地增加,但这种丰度值的变化通常存在一个周期.这种不明显的周期变化是核反应状态从猛烈到平常的过程.但是,它仍然不能改变整个恒星在初期时轻核丰度值较大,随之逐步扩展延伸到一些重核的丰度值强烈增高的趋势.因此我们在一个长时间内可以观察到太阳有一些核丰度波动.

恒星处在每次活跃时期的激烈聚变爆发将使大量复合核产生出来,并使得大量的氢等离子体很快地减少.每一次猛烈爆发意味着某些核素略微增加,丰度值随之稍微升高,而一些轻核素相应地减少,丰度值也呈略微下降.恒星在任何时间总是有一些区域发生猛烈的核反应,并且这些活动区域会逐步转变成非活动状态,除非基本粒子因超核衰变增加到某种极端程度再次开始爆发.

由于那些复合粒子具有各种衰变以及基本粒子能被聚集,我们不必忧虑热核反应会立刻停止.即使系统暂时缺乏无论何种粒子,相应的超核素通过大规模衰变和裂变也能补足这些基本粒子.例如,考虑到各种超核素不同的半周期,一些具有裂变能力的超核能被积聚到一定数量,这样,一些超核素收集体能发生裂变爆发,以至于大量基本粒子迅速增长并使得恒星重新转入活跃时期.如果说恒星中始终存在一些起能量协调作用的因素,那些特殊性质的超核素尤其显得十分重要.这也是热核聚变能持续发生的重要原因之一.因此,热核反应的自适应正是猛烈聚变爆发的周期表现.

附带说一句,对于我们太阳,猛烈聚变的循环变化必定对地球环境造成影响.所以,地球的气候随着太阳内部某些核丰度值的循环波动必定也有一个变化的周期.

5、各种超核和超重超核的存在

无庸置疑,随着氢等离子体的被消耗,有大量中子和超重中子存在于热核聚变中,它们的数量持续增加,这样,系统能完全拥有充分条件产生各种超核素甚至超重超核素以及核素群体.从上面公式<5>我们可以知道,甚至超氢能接受一个电子演变为多中子体,即由几个中子组成的超中子,例如已经发现的比中子还重的Λ粒子^[3]:

p + π^- →Λ+ K⁰      [2n] + n →Λ+Λ

这些中子和超中子能同其他核形成各种复合核,尽管各种超重超核素和超铀超核素甚至较大的超中子体必定需要更长的时间才能产生出来.

特别是,我们必须注意到超核素的性质.我们已经知道一些超核在实验室中容易立即衰变,但在恒星中它的性质应该具有更大的差异,因为在它周围有丰富的基本粒子轰击.超核能持续保持俘获某些基本粒子同时发射诸如电子、正电子、中子、质子、介子等等粒子和各种射线,甚至包括α粒子.也就是说,各种核素借助基本粒子不断地相互交换能量,以便保持它们自身状态相当稳定.因而,超核的活动状态能一直被基本粒子所控制,除非在它们周围的基本粒子相当缺乏.

确实,在热核聚变中,没有哪种超核素完全拒绝衰变.它们稳定状态的存在正是超核素能不断而快速衰变的同时又立即俘获基本粒子的结果.它们能不断调节并改变它们的状态去适应丰富基本粒子的轰击,而没有任何时间回到它们的能量基态.这样,基本粒子越丰富,稳定超核种类就越复杂和多样.这是超核素能借助基本粒子保持它们能量和结构稳定的主要原因.当然,这种维持状态完全是一种能量和结构的动态平衡模式.

因此,重超核素的形成和核素群体的生长直接与超核素同基本粒子碰撞有关.可能某些超核素在更加频繁和猛烈的热核反应中变得相当稳定.甚至少量的超中子体因为频繁的碰撞与结合也能出现在大型热核聚变系统中.

诚然,假如超核素的衰变速度比基本粒子的碰撞能力还要快,这些超核素就不能保持它暂时的存在状态以致于不断衰变,除非大量基本粒子直接再次碰撞这些超核素.事实上,大量氢等离子体消耗,恒星产生收缩,粒子密度增加,正好可以使得基本粒子轰击各种核的能力得到保持,不至于粒子的运动时间超出有些超核素完成全部衰变时间.根据热核聚变双循环模型,携带一定能量的电子是导致核聚变的关键,因此电子的平均能量E和密度ρ_e以及体积B_e决定恒星的演化和热核聚变的持续能力.即,仅当如下公式成立时,热核聚变才可能持续:

ρ_e B_e = Q ≥ Q_e                (1)

Q E  ≥ E_e Q_e = C              (2)

式中C代表常数, Q为系统中电子总数量, Q_e为至少可以保证基本粒子循环使热核反应持续的数量, E_e刚好为电子可被氢核俘获的能量.不过等离子体分布密度与电子的能量之间还一定存在有机的必然联系.似乎电子的能量和等离子体的密度都是一个非常恰当的数值才可能持续维持热核聚变.

当然,稳定超核素的数量是相当有限的,并非所有的超核素都能保持相当长的时间.不稳定的超核素总是逐步转变为稳定的核.稳定核素的数量必定越来越多.不同数量的各种核素总是存在于热核聚变的任何时候,并且表现出不同的丰度值.

一般来说,具有相同核电荷数的超核素越重,它们的半衰期越短,但它们的放射性强度可能是越强.这种效应对于热核聚变持续以及核素聚集同样非常重要.同时,当一些超核素被中子轰击时,它们也能发生核裂变,所以,核裂变同样是一些超核素的性质之一.

同时,超核的磁性也应该被特别关注,因为它可能是超核聚集一起的重要原因.我们知道各种同位素的磁性质有不同差异^[1,7],包括引起超导转变温度T_c变化^[9].因此各种超核的磁性质也应该有较大的差别,并且它们能决定大量粒子聚集的方式.

从理论上分析,每一种核都具有电荷运动结构,基本粒子的出入原子核必定打破这种电荷结构并使得核磁矩改变.至少,磁矩随着超核衰变的进行将有瞬时的振荡.保持β⁺衰变核素的核磁必定不同于保持β^-衰变的核素.甚至,对于一些携带相同电荷的同位素核的磁矩和自旋可能是相当不一致的.例如,拥有β^-衰变和那些拥有β⁺衰变的两种同位素之间就完全可能存在这种情况.

这些磁性差异恰恰是一些超核聚集多种核素体形成复杂团体的基础.有强磁性的核素更容易聚集而形成各种磁体以致于控制周围带电粒子运动.很可能混合有一些超核素的核素体的磁性在恒星中表现得非常强大.我相信,一些超核素存在异常的磁性,不过在这方面持续的研究还相当必要.目前,还没有人更多地关注这个问题.

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