李志宏
核反应在恒星演化中的作用 精选
2021-10-10 09:10
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核反应在恒星演化中的作用

自然界中存在四种基本的相互作用,分别是万有引力,电磁力,弱相互作用和强相互作用。后两者都与原子核相关,又被称作弱核力和强核力。这四种基本力按强度大小的排序为:强核力,电磁力,弱核力,万有引力。做个相对的比较,如果设强核力的强度为1,那么电磁力的强度就是10-2,弱核力的强度就是10-13,万有引力的强度就是10-38。从相互力程上来说,强核力和弱核力都是短程力,只有核子之间的距离小于几个费米时才能感受到核力的作用;电磁力和万有引力都是长程力,即使在很远很远的地方都能感受到它们的存在。从作用强度上看出,强核力的作用强度最大,它储存能量的本领也最强,核物质的能量密度也越大。万有引力的作用强度最小,最容易开发利用。

 

尽管引力作用强度小,但是由于恒星的质量都比较大,在恒星演化过程中引力起着主导的作用。最开始,原始星云在引力的作用下收缩,引力所做的功一半通过热辐射放射出去,一半转化为星云的内能使其的温度升高。这时,星云气体的压强与温度成正比,温度提高将导致压强增大,从而抵抗引力的收缩。当温度升高到几千度以上时,星云中的原子开始电离,导致星云的电磁辐射强度增大。这时气体的压强主要由辐射压决定,它与温度的4次方成正比。因此,有了电磁力的参与,抵抗引力收缩的能力增强。如果星云的质量不够大,其引力不足以压制辐射压,星云就不能进一步收缩,也就成不了恒星。如果星云的质量足够大,在引力的作用下,星云会进一步收缩,导致温度进一步上升,当中心温度打到1千万度时,星云的核反应就被点燃了,这时的星云才变成恒星。一般条件下,原始星云的质量越大,它的收缩就越快,温度升高的速度也就越快,变成恒星的时间也就越短。可以看出,能不能点燃核反应是星云能否成为恒星的关键

 

有了核反应参与之后,恒星的活动变得比较稳定,放出光和热的速率也比较平稳。这是因为恒星中的核反应具有负反馈效应,核反应加快将导致其产生的速度变快,从而引起温度的升高和压强增大,并导致恒星气体膨胀,而恒星气体膨胀又将减少气体的密度和密度,从而减小核反应速率。因此,核反应调节着恒星演化的速度

 

恒星最先开始进行的核反应是氢燃烧反应,因为氢燃烧涉及的核反应库仑位垒小,核反应最容易发生。氢又是恒星中最多物质,因此氢燃烧阶段持续的时间最长。恒星的寿命取决于恒星核心的氢原料,当核心的氢原料耗尽时恒星就进入了老年期。因此,核燃料的多少决定着恒星的寿命。

 

如果恒星的质量足够大,在恒星演化过程中会有更多的核素参与其中,参与的核越多,恒星演化就越剧烈,恒星的死亡就越轰轰烈烈。如果恒星能走完所有的核燃烧过程,就会发生超新星爆炸。


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