3氦過程

3氦過程是一組核融合反應，通過這些反應，將三個氦-4核（α粒子）轉化為碳核。

恆星中的3氦過程 

氦是質子-質子鏈反應和CNO的產物，累積在恆星的核心中。

兩個氦-4核的核融合反應產生高度不穩定的鈹-8，並衰變回半衰期為的較小核，除非在這段時間內第三個α粒子與鈹-8核融合為了產生碳-12的激發共振態，被稱為霍伊爾態，它幾乎總是衰變回三個α粒子，但大約2421.3次中就有一次釋放能量並變為碳-12的穩定態形式。當恆星核心的氫耗盡時，它開始收縮和升溫。如果中心溫度上升到108K，是太陽核心溫度的六倍，α粒子就能够以足够快的速度融合，通過鈹-8屏障，產生大量穩定的碳-12。

{|
|  +  → 
|  (−0.0918 MeV)
|-
|  +  →  + 2
|  (+7.367 MeV)
|}

這些過程的淨能量釋放為7.275 MeV。

作為這個過程的副作用，一些碳核與額外的氦融合，產生穩定的氧和能量同位素：

  +  →  +  (+7.162 MeV)

氦與氫的核融合反應產生鋰-5，它也是高度不穩定的，並衰變回更小的原子核，半衰期為。

與額外的氦核融合可以在被稱為氦核作用的恆星核合成鏈中產生更重的元素，但這些反應只有在比經歷3α過程的核心更高的溫度和壓力下才顯著。這就造成了恆星核合成產生大量碳和氧的情况，但這些元素中只有一小部分轉化為氖和更重的元素。氧氣和碳是氦-4燃燒的主要「灰燼」。

原始的碳 

由於3氦過程需要較長的時間才能形成碳，因此在太初核合成不太可能發生。此一結果可以說明大爆炸為何沒有製造出碳，因為在大爆炸之後的一分鐘，就已經低於3氦過程所需要的溫度了。

共振 
通常，3氦過程的概率非常小。然而，基態的鈹-8幾乎具有兩個α粒子的全部能量。在第二個步驟中，8Be + 4He幾乎擁有激發態的12C的能量。這種共振大大增加了α粒子與鈹-8結合形成碳的概率。為了在恆星中形成碳，在實際觀測到之前，弗萊德·霍伊爾就根據其存在的物理必要性，預測了這種共振的存在。這種能量的共振和過程的預測，隨後為霍伊爾的恆星核合成假說提供了非常重要的支持。霍伊爾的假說假定所有的化學元素最初都是由氫（真正的原始物質）形成的。人們引用人擇原理來解釋這樣的一個事實，集合共振被靈敏地安排在與中產生大量的碳和氧。

重元素的核合成 
隨著溫度和密度的進一步升高，熔合過程產生的核素僅能達生鎳-56（隨後衰變為鐵）；更重的元素（鎳以外的）主要由中子捕獲產生。慢中子的捕獲過程，即S-過程，產生了大約一半原子序超越鐵的元素。另一半是由可能發生在核坍縮超新星和中子星合併的R-過程產生。

反應速率與恒星演化 
3氦過程在很大程度上取決於恆星物質的溫度和密度。反應釋放的功率與溫度近似40次方和密度的平方成正比。相較之下，質子-質子鏈反應產生能量的速率與溫度的四次方成正比，碳氮氧循環產生能量的速率與溫度的17次方成正比，必且兩者都與密度的線性比例成正比。這種與溫度的強烈依賴性導致了恒星演化的後期階段，即對紅巨星階段的影響。

對於紅巨星分支上的低質量恒星，只有通過電子簡併壓力，才能防止積累在核心中的氦進一步崩塌。整個簡併核處於相同的溫度和壓力下，因此當其質量足够大時，3氦過程的核融合會貫穿整個核心同時進行。在壓力高到足够解除簡併態之前，核心無法擴大以對新增產生的能量做出反應。因此，溫度升高，導致正回饋迴圈中的反應速率增加，成為失控反應。這個過程被稱為氦閃，持續幾秒鐘，但就能燃燒掉堆積在核心中60–80%的氦。在核心氦閃期間，該恒星產生的能量可以達到大約1011太陽光度，與整個星系的光度相當，然而在表面上不會立即觀察到任何影響，這是因為全部能量被用於將核心從簡併狀態提升到正常的氣態。由於核心不再是簡併態，流體靜力平衡再次建立，恒星開始在其核心"燃燒"氦，並在核心上方的球殼層中"燃燒"氫。這顆恒星進入穩定的氦燃燒階段，這一階段的持續時間約為其在主星序上所花費時間的10%（我們的太陽預計在氦閃後將在其核心燃燒氦約10億年）。

對於質量更高的恒星，碳會聚集在核心，將氦轉移到周圍的殼層中，在那裡發生氦燃燒。在氦殼層中，壓力較低，質量不受電子簡併態的支持。因此，與恒星中心相反，氦殼層能够隨著氦殼層熱壓力的增加而膨脹。膨脹使這一層冷卻並減緩反應，導致恒星再次收縮。這個過程是週期性的，經歷這一過程的恒星半徑和能量產生將週期性地變化；這些恒星在膨脹和收縮時也會失去外層的物質。

發現 
3氦過程高度依賴於碳-12和鈹-8具有比氦-4稍高能量的共振。根據已知的共振，迄1952年，普通恒星似乎不可能產生碳以及任何較重的元素。核子物理學家威廉·福勒注意到了鈹-8的共振，並且埃德溫·薩爾皮特計算了鈹-8、碳-12和氧-16核合成的反應速率時，其中就考慮了這種共振。然而，薩爾皮特計算出紅巨星在2.108K或更高的溫度下燃燒氦，而最近的其它工作假設紅巨星的核心溫度低至1.1.108K。

薩爾皮特的論文順便提到了碳-12中未知共振對其計算產生的影響，但作者從未進一步計算其影響。反而是天體物理學家佛萊德·霍伊爾，在1953年利用宇宙中存在豐富的碳-12作為存在碳-12共振的證據。霍伊爾能够找到同時產生大量碳和氧的唯一方法是通過一個接近7.68MeV的碳-12共振3氦過程，這也消除了爾皮特計算中的差異。

霍伊爾去了位於加州理工學院的福勒實驗室，說在碳-12原子核中必須有一個7.68MeV的共振（有報導稱，在大約7.5MeV時存在激發態。) 。佛萊德·霍伊爾（Fred Hoyle）在這方面的大膽表現是驚人的，最初實驗室的核子物理學家對此持懷疑的態度。最後，一位剛從莱斯大學畢業的初級物理學家，他正在尋找一個專案提目，結果决定尋找這個共振。福勒允許他使用一台已經不再使用，老舊的范德格拉夫起電機。霍伊爾回到劍橋後，沒幾個月，福勒的實驗室在7.65MeV附近發現了碳-12的共振，證實了他的預測。核子物理學家沃德·捕鯨在美國物理學會的夏季會議上發表的一篇論文中，將霍伊爾列為第一作者。霍伊爾和福勒很快進行了長期而富有成效的合作，福勒甚至來到了劍橋。

最終的反應結果處在+0（自旋0和正宇稱）。由於霍伊爾狀態被預測為0+或2+狀態，預期電子-正電子對或伽瑪射線將被看到。然而，在進行實驗時，沒有觀測到伽瑪射線的反應通道，這意味著狀態必須是0+。這種狀態完全抑制單獨的伽瑪輻射，因為每個伽瑪輻射必須帶走至少1角動量單位。成對產生來自激發的0+狀態是可能的，因為它們的組合自旋（0）可以耦合到一個反應，使它的角動量為0。

不可能性和微調

相關條目 
 質子-質子鏈反應
 碳氮氧循環

參考資料 

核合成
核聚变
氦
鈹
碳