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恒星“点石成金”,中子是个重要角色

来源:科技日报2019-05-31 10:44

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  计算机芯片所用的硅、航空发动机上抗高温的镍基合金、商场中陈列的黄金、铂金……我们赖以生存的世界是由各种元素构成的,而这些比铁更重的元素(简称超铁元素)起源之谜备受科学家关注。

  近日的一项研究通过计算模拟得出结论,在快速中子俘获过程产生超铁元素的理论模型中,80%的超铁元素由坍缩恒星产生,其余20%则来自中子星合并。

  恒星究竟是如何“点石成金”的?中子在这个过程中又扮演了什么角色?

  元素形成以铁为界

  “目前比铁轻元素的形成机制已明晰,而超铁元素的起源则存在慢速中子俘获过程(s-过程)、快速中子俘获过程(r-过程)和p-过程等多种理论模型。”中国原子能科学研究院核物理研究所实验核天体物理创新团队研究员李志宏在接受科技日报记者采访时表示。

  宇宙大爆炸3分钟后,最原始的核合成开始了。质子、中子、光子、电子等在宇宙中“横冲直撞”。在相互碰撞和结合过程中,氢、氦以及极少量的锂、铍、硼元素诞生了。

  后来,部分物质“抱团”逐渐形成了恒星。恒星内部以氢核和氦核为原料,不断进行核反应,生成更重的元素,并释放出能量。

  “由于原子核均带正电荷,两核之间的结合需要较高的温度条件以克服同性相斥的库仑力。元素越重,带电量越大、库仑力越大,形成该元素所需的温度就越高。”李志宏举例,当恒星温度超过30亿摄氏度时,才能形成原子序数为14的硅元素,硅元素再与其他核素反应形成更多元素,直到原子序数为26的铁元素为止。

  “恒星的核燃烧阶段形成的最重元素为铁元素,这是因为铁元素的比结合能最高。” 李志宏进一步介绍,质子和中子等核子结合成原子核不容易,而将已经形成的原子核拆开也需要能量,这种能量被称为原子核的结合能,而结合能与核子数目的比值被称为该原子核的比结合能,即拆开原子核时,平均到每个核子上所需的能量。比结合能越高,说明原子核越不容易“散架”。

  铁元素的结合能最高,这意味着什么?“铁元素为核反应放热和吸热的‘分水岭’,若生成铁之前的元素,反应放热,恒星升温;生成超铁元素,反应吸热,恒星冷却。”李志宏告诉科技日报记者,恒星一旦冷却,便无法再提供足够的温度克服下一个元素合成的库仑力,核反应链便在铁这里“戛然而止”了。

  中子助力原子核“增重”

  恒星核燃烧过程只能形成比铁轻的元素,那么我们周围的金、银、铂等超铁元素从何而来?

  在三类主要的超铁元素理论模型中,有两类均与中子有关。李志宏指出,由于中子呈电中性,在参与核反应过程中没有库仑力的困扰,因此学界认为绝大多数的超铁元素是通过铁“种子”俘获中子而产生的,并根据“抓到”中子的相对速度有了快慢之分,p-过程则可以解释30余种无法通过中子俘获产生的丰质子核素(p-核)的谜团。

  “慢速中子俘获过程通常发生在红巨星阶段,可产生宇宙中现有超铁元素约一半数量的超铁元素。”李志宏指出,随着红巨星不断燃烧,其内部的碳氧核心可产生中子,成为主要的中子源。当铁原子核抓到中子时,原子核内便不再“稳如泰山”了。在下一个中子被俘获之前,不稳定的铁核会进行β衰变,核内的一个中子转变为质子。元素周期表中位列第27位的钴元素就此诞生。钴核再俘获中子,便可产生更多的重核。“目前学界已通过理论计算及实际谱线观测逐渐证实了该模型的科学性。”

  “快速中子俘获过程通常发生在核心塌缩的超新星爆发或两个中子星合并过程中,可产生约一半的超铁元素。”李志宏表示,这两种天体活动中,大量的中子喷射而出,一个原子核会被中子包围起来,因此俘获中子是件迅速且轻而易举的事,从铁“种子”一步步生成铀只需1秒。

  大部分元素都能通过以上两种中子俘获过程产生,还有约1%的超铁元素是通过p-过程产生的。目前,科学家还未揭开p-核形成的全部奥秘,其发生过程有待进一步探索。

  “核过程研究不仅致力于寻找宇宙元素的起源,还为我们提供了一个‘看见’恒星内部深处的窗口,认识恒星中能量产生的过程以及演化历史。”在李志宏看来,这些谜团的探索也会助力人们开发新的核能源,为国防建设和国民经济发展服务。(于紫月)

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