3 氦過程是一組核融合反應，透過這些反應，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 24213 次中就有一次釋放能量並變為碳 12 的穩定態形式 The carbon challenge Morten HjorthJensen Department of Physics and Center of Mathematics for Applications University of Oslo N0316 Oslo Norway 9 May 2011 Physics 4 38。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 粒子就能夠以足夠快的速度融合，透過鈹 8 屏障，產生大量穩定的碳 12。 00918 MeV 2 7367 MeV 這些過程的淨能量釋放為 7275 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： 7162 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況，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 通常情況下，3 氦過程的機率非常小。然而，鈹 8 基態的能量幾乎與兩個 α 粒子的能量完全相同。在第二個步驟中，8Be 4He 幾乎具有 12C 在激發態的完全能量。這種共振的存在是弗雷德霍伊爾在實際觀測到之前預測的，基於它存在的物理必要性，以便在恆星中形成碳。這種能量共振和過程的預測和發現為霍伊爾的恆星核合成假說提供了非常重要的支援，該假說認為所有化學元素最初都是由氫形成的，氫是真正的原始物質。人擇原理被用來解釋這樣一個事實，即核共振被敏感地安排在宇宙中產生大量的碳和氧 For example Fred Hoyle The Universe Past and Present Reflections Engineering and Science November 1981 pp 812。 重元素的核合成 隨著溫度和密度的進一步增加，核融合過程產生的核素僅能達到鎳 56（後來衰變為鐵）；更重的元素（比鎳更重的元素）主要由中子捕獲產生。慢中子的捕獲，即 S 過程，產生了大約一半原子序大於鐵的元素。另一半可能發生在核坍縮超新星和中子星合併過程的快中子捕獲，即 R 過程產生的。 反應速率與恆星演化 3 氦過程在很大程度上取決於恆星核心物質的溫度和密度。反應釋放的功率大約與溫度的 40 次方與密度的平方成正比。相對的，質子 質子鏈反應以與溫度的四次方成比例的速率產生能量，碳氮氧迴圈以大約溫度的 17 次方產生能量，並且兩者都與密度成線性比例。這種強烈的溫度依賴性對恆星演化的晚期，即紅巨星階段產生了影響。 對於紅巨星分支上的低質量恆星，只有透過電子簡併壓力才能防止核心中心累積的氦進一步坍縮。整個簡併核心處於相同的溫度和壓力下，因此當其密度足夠高時，3 氦過程的核融合會貫穿整個核心同時進行。但在壓力高到足夠解除簡併態之前，核心無法膨脹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，只持續幾秒鐘，但就能燃燒掉堆積在核芯中 6080 的氦。在核心氦閃期間，恆星產生的能量可以達到大約 1011 太陽光度，這與整個星系的光度相當，但因為所有的能量都被用來將核心從簡併態提升到正常的氣態，因此在表面不會立即觀察到任何影響。由於核心不再是簡併態，流體靜力平衡再次建立，恆星開始在核心「燃燒」氦，並在核心外圍的球形殼層中「燃燒」氫。該恆星進入穩定的氦燃燒階段，持續時間約為其在主序星上花費時間的 10（預計太陽在氦閃後將在其核心燃燒氦約 10 億年）。 對於質量更高的恆星，碳會聚集在核心，氦則轉移到周圍的殼層，並在那裡進行氦燃燒。在這個氦殼層中，壓力較低，質量不受電子簡併性的支援。因此，與恆星的中心相反，氦殼層能夠響應殼層中增加的熱壓力而膨脹。膨脹使這一層冷卻並減緩了反應，導致恆星再次收縮。這一過程週期性地繼續，經歷這一過程的恆星將具有週期性變化的半徑和功率產生。這些恆星在膨脹和收縮時也會失去最外層的物質。 發現 3 氦過程高度依賴碳 12 和鈹 8 的共振能量略高於氦 4。根據已知的共振，迄 1952 年，普通恆星似乎不可能產生碳和任何更重的元素 Kragh Helge 2010 When is a prediction anthropic Fred Hoyle and the 765 MeV carbon resonance httpphilsciarchivepittedu5332 。核子物理學家威廉福勒注意到了 8Be（鈹 8）的共振，埃德溫薩爾皮特考慮到這種共振，計算了 8Be、12C 和 16O 核合成的反應速率。可是，薩爾皮特計算出紅巨星在 2108K 或更高的溫度下燃燒氦，但最近的其它工作假設紅巨星的核心溫度低至 11108K。 薩爾皮特的論文順便提到了碳 12 中未知的共振會對其計算產生影響，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 做為存在碳 12 共振的證據。霍伊爾同時發現能產生大量碳和氧的唯一方法是 3 氦過程透過在 768MeV 附近共振產生碳 12，這也將消除薩爾皮特計算中的差異。 霍伊爾去了設在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 768MeV 的共振（有報導稱，在大約 75MeV 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，一位剛從萊斯大學畢業的初級物理學家，他正在尋找一個專案提目，結果決定尋找這個共振。福勒允許他使用一臺已經不再使用，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 765MeV 附近發現了碳 12 的共振，證實了他的預測。核子物理學家沃德威林在美國物理學會的夏季會議上發表的這一篇論文中，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 Fred Hoyle A Life in Science Simon Mitton Cambridge University Press 2011 pages 205209。 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 碳是所有已知生命的必要組成部分。12C 是一種穩定的碳同位素，由於三個因素在恆星中大量產生： 一個 8Be 核的衰變壽命比兩個 4He 核（α 粒子）散射的時間大四個數量級。 12C 原子核的激發態存在於 8Be 4He 能級之上一點（03193 MeV）。這是必要的，因為 12C 的基態比 8Be 4He 的能量低 73367MeV；一個 88Be 核不能和一個 4He 核合理地直接融合成基態的 12C 核。然而，8Be 和 4He 利用它們碰撞的動能融合成被激發的 12C（動能提供了達到激發態所需的額外 03193 MeV），然後其可以轉變到穩定的基態。根據一項計算，這種激發態的能級必須在大約 73MeV 和 79MeV 之間，才能產生足夠的碳來維持生命，並且必須進一步「微調」到 7596 MeV 和 7716 MeV 之間才能產生自然界中觀察到數量豐富的 12C 。霍伊爾態已被量測為在 12C 的基態之上約 765 MeV。 在 12C 4He 16O 的反應上，存在氧的激發態，如果它稍高，將提供共振並加速反應。在這種情況下，自然界中會存在碳不足的現象；幾乎所有的碳都會轉化為氧。 一些學者認為，7656 MeV 的霍伊爾共振不太可能僅僅是偶然的結果。弗雷德霍伊爾在 1982 年認為，霍伊爾共振是「超智者」的證據；李奧納特色斯金在《》中駁斥了霍伊爾的超智者論點。相反的，一些科學家認為，不同的宇宙，即龐大的「多元宇宙」的一部分，有不同的基本常數：根據這個有爭議的微調假說，生命只能在少數幾個基本常數恰好經過微調以支援生命存在的宇宙中進化。由於缺乏獨立的證據，其他科學家拒絕接受多元宇宙的假設。 相關條目 質子 質子鏈反應 碳氮氧迴圈 參考資料 Category 核合成 Category 核聚變 Category 氦 Category 鈹 Category 碳