質子﹣質子鏈反應[質子-質子鏈反應]

質子-質子鏈反應是恆星內部將氫融合成氦的幾種核融合反應中的一種，另一種主要的反應是碳氮氧循環。質子-質子鏈反應在太陽或更小的恆星上占有主導的地位。

簡介

克服兩個氫原子核之間的靜電斥力需要很大的能量，並且即使在太陽高溫的核心中，平均也還需要10^9年才能完成。由於反應是如此的緩慢，因此太陽迄今仍能閃耀著，如果反應稍為快速些，太陽早就已經耗盡燃料了。

通常，質子-質子熔合反應只有在溫度（即動能）高到足以克服它們相互之間的庫倫斥力時才能進行。質子-質子反應是太陽和其它恆星燃燒產生能量來源的理論，是在1920年代由亞瑟·史坦利·艾丁頓主張和提出基本原則的。當時，太陽的溫度被認為太低，以至於不足以克服庫倫障壁。直到量子力學發展之後，發現質子可以經由波函式的隧道，穿過排斥障礙而在比傳統預測為低的溫度下進行融合反應。

pp鏈反應

第一個步驟是兩個氫原子核融合1H（質子）成為氘，一個質子經由釋放出一個 e+和一個中微子成為中子。

H1 + H 1→ H 2+ e+ + νe

在這個階段中釋放出的中微子帶有 0.42MeV的能量。

質子﹣質子鏈反應[質子-質子鏈反應]

第一個步驟進行的非常緩慢，因為它依賴的吸熱的β正電子衰變，需要吸收能量，將一個質子轉變成中子。事實上，這是整個反應的瓶頸，一顆質子平均要等待 年才能融合成氘（太陽壽命的 1/10）。

正電子立刻就和電子湮滅，它們的質量轉換成兩個γ射線的光子被帶走。

e+ + e− → 2γ （它們的能量為 1.02MeV）

在這之後，氘先和另一個氫原子融合成較輕的氦同位素，3He：

H2 + H1 → He3 + γ （能量為 5.49 MeV）

然後有 三種可能的路徑來形成氦核He4。在pp1分支，氦-4由兩個氦-3融合而成；在pp2和pp3分支，氦-3先和一個已經存在的氦-4融合成鈹。 在太陽，pp1最為頻繁，占了86%，pp2占14%，pp3隻有0.11%。還有一種是極端罕見的pp4分支。

pp1分支

He3 +He3 → He4 + H1 + H1 + 12.86 MeV

完整的pp1鏈反應是放出的淨能量為 26.7MeV。 pp1分支主要發生在 一千萬至一千四百萬K的溫度，當溫度低於一千萬K時，質子-質子鏈反應就不能製造出He4。

pp2分支

He3 + He4 → Be7 + γ

Be7 + e− → Li7 + νe

Li7 + H1 → He4 + He4

pp2分支主要發生在 一千四百萬至二千三百萬K的溫度。

90%的在Be7(e−,νe)Li7*的反應中產生的中微子，90%帶有 0.861MeV的能量，剩餘的10%帶有 0.383 MeV的能量（依據鋰-7是在基態還是激發態而定）。

pp3分支

He3 + He4 → Be7 + γ

Be7 + H1 → B8 + γ

B8 → Be8 + e+ + νe

Be8 ↔ He4 + He4

pp3鏈反應發生在 二千三百萬K以上的溫度。

pp3鏈雖然不是太陽主要的能量來源（只占0.11%），但在太陽中微子問題上非常重要，因為它產生的中微子能量是非常高的（高達 14.06 MeV）。

pp4或Hep

雖然預測上有這種反應，但因為 極為罕見（在太陽中只占千萬分之三的量），因此從未曾在太陽中被觀測到。在此種反應中，氦-3直接和質子作用成為氦-4，可以產生能量更高的中微子（高達 18.8 MeV）。

He3 + H1 → He4 + νe + e+

能量釋放

比較最後產生的氦-4和4個質子的質量，顯示少了0.007或是0.7%的質量。這些質量被轉換成了能量，在各自的反應中以γ射線和中微子的形式釋放出去。在一個完整的反應鏈可以得到 26.73MeV的能量。

只有以γ射線釋放的能量會和電子與質子作用來加熱太陽的內部。這些熱量支撐著太陽使它不至於因為本身的重量而崩潰。

中微子不會與一般的物質發生互動作用，而且不會支持太陽去對抗本身的重力崩潰。中微子在pp1、pp2和pp3鏈分別帶走2.0%、4.0%和28.3%的能量。

pep反應

恆星內的質子-質子和電子-捕獲鏈反應圖

　氘也能經由罕見的 pep（ 質子-電子-質子）反應（電子捕獲）產生：

H1 + e− + H1 → H2 + νe

在太陽，pep反應和pp反應的比率是 1：400，但是pep反應產生的中微子擁有更高的能量：在pp反應的第一步產生的中微子能量是 0.42MeV，而pep反應產生的中微子譜線能量集中在 1.44MeV。

pep和pp反應可以被看成是相同的基本互動作用，以兩種不同的費曼表示。此處電子穿越到反應的右邊成為一個反電子，這在右圖中表示的是恆星內的質子-質子和電子捕獲鏈反應。