pp鏈反應

pp鏈所代表的氫核聚變是指質量M

pp鏈反應 pp鏈反應

質量M<=2M☉,中心溫度的主序星,核心處發生的反應主要是pp鏈所代表的氫核聚變。

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+和一個微中子成為中子。

pp鏈反應 pp鏈反應

在這個階段中釋放出的微中子帶有0.42MeV的能量。

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109年才能融合成氘。

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。

pp鏈反應 pp鏈反應

(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:

pp鏈反應 pp鏈反應

(能量為5.49 MeV)

然後有三種可能的路徑來形成氦的同位素4He。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

3He +3He → 4He + 1H + 1H + 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4He。

pp2分支

3He + 4He → 7Be + γ

7Be + e− → 7Li + νe

7Li + 1H → 4He + 4He

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7Be(e−,νe)7Li*的反應中產生的微中子,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

3He + 4He → 7Be + γ

7Be + 1H → 8B + γ

8B → 8Be + e+ + νe

8Be ↔ 4He + 4He

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%),但在太陽微中子問題上非常重要,因為它產生的微中子能量是非常高的(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微中子(高達18.8 MeV)。

3He + 1H → 4He + 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射線和微中子的形式釋放出去。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。

微中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。為中子在pp1、pp2和pp3鏈分別帶走2.0%、4.0%和28.3%的能量[1]。

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