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矽燃燒過程

Wikipedia · 2026-05-11 维基百科 👁 1 阅读

矽燃燒過程在天體物理的核融合反應序列中是非常短暫的過程，它發生在質量至少是8-11太陽質量的恆星。對恆星而言，矽燃燒是大質量恆星長期以來以核融合供應能量的最後階段，是燃料耗盡的生命終點，然後她們就將離開赫羅圖上的主序帶。它之前的幾個階段是氫、氦、碳、氖、和氧燃燒過程。

當重力收縮使恆星的核心溫度升高到27至35億K的高溫時，確實的溫度依據恆星的質量來決定，矽燃燒便開始了。當一顆恆星完成了矽燃燒階段之後，已經不再有燃料可供融合。恆星將發生災難式的坍塌，並且可能會爆炸成被稱為II型的超新星。

核融合序列和α過程
一顆恆星完成氧燃燒過程後，它核心的主要成分是矽和硫。如果它有足夠的質量，它將會進一步的收縮，直到核心達到27至35億K（230-300千電子伏特）。在這樣的溫度，矽和其它的元素可以光致蛻變，發射出一顆質子或是α粒子，但在α過程的下一步是鋅-60，每個核子的質量已有微量的增加，因此在熱力學上是不利的。鎳-56（有28個質子）的半衰期為6.02天，以β+衰變成為鈷-56（有27個質子），再以77.3天的半衰期蛻變成為鐵-56（有26個質子），但是在大質量恆星的核心內只有幾分鐘的時間可以讓鎳進行衰變。恆星已經耗盡核燃料，並且在幾分鐘內就開始收縮。重力收縮的位能會將核心加熱至5GK（430KeV），雖然這會阻止和延遲收縮，然而因為沒有額外的熱能通過新的核融合生成，收縮迅速的加快只維持幾秒鐘就坍塌了。这样，恆星核心的部分要么就被擠壓成為中子星，或甚至因為質量夠大而成為黑洞，抑或者在介于两者之间过渡地带中间质量范围下成为可以称得上是介于上述两种残骸星体之间过渡形式的夸克星。恆星的外層被吹散，爆炸成為II型超新星，可以閃耀幾天到幾個月。超新星爆炸釋放和噴發出大量的中子，其中大約有半數在一秒鐘內通過稱為r-過程（此處的R代表快速中子捕獲）形成比鐵更重的元素。

結合能（束縛能）
下圖顯示出各種元素的結合能，結合能經由兩種不同的途徑增加：
#它是從核心中移除核子所必須的能量。
#當一個核子被加入核心時所釋放出來的能量。
如圖所示，當核子被加入像氫這樣的輕元素時，能釋放出極大的能量（結合能增加很多）－核融合的過程。（所以質子-質子鏈反應能長期提供恒星能量）；反過來，當核子被從像鈾這樣的重元素移出時，會釋放出能量－核分裂的過程。在恆星，快速的核合成過程添加氦原子核（α粒子）形成較重的原子核。雖然核子數58和62有最低的結合能，但He4的加入導致鎳-56（14個α粒子）產生的下一個元素 －鋅-60（15個α粒子）－ 時，依然是放热的，原因是He4的平均结合能很低，事实上，向镍-56继续添加α粒子形成锌-60（甚至一直延伸到锡-100）的反应依然是放热反应，但这并不是聚变停止的原因。真正阻止核聚变继续推进的是极高的核心温度（超过30亿开尔文）所引发的光致蜕变(Photodisintegration)效应。
镍-56之后的α捕获反应所释放的能量出现了急剧下降（例如合成Ni56+He4→Zn60仅释放约 2.7 MeV，远低于此前步骤的能量）。这意味着只需极少的能量γ光子即可将生成的锌-60重新击碎。因此，在恒星核心极热的环境中，每当一个锌-60被合成，它几乎瞬间就会被环境中的高能伽马射线重新拆解为镍-56和α粒子。
在这个被称为核统计平衡（NSE）的极高热力学状态下，由于镍-56在质子和中子数相等的核素中具有最深的局部结合能势井（双幻核结构），聚变链条的净产出在此处陷入了动态停滞。因此，镍-56成为了大质量恒星在核心引力坍缩前所能大量合成的最后一种主要产物。随着恒星燃料耗尽，核心将在几分钟内开始坍缩，随后抛射出的镍-56会逐渐衰变为钴-56，并最终稳定为铁-56。

相關條目

  • 恆星演化
  • 超新星核合成

** 中子捕獲：p-過程、r-過程、s-過程

參考資料
外部連結

#核合成

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