七，太阳和恒星的能量来源及元素合成
1，核能和爱因斯坦的 E＝ mc2
2，恒星的能源和寿命
3，恒星上元素的分布
4，恒星上元素的合成
5，福勒的贡献和获 1983年诺贝尔奖福勒从事与元素合成有关核反应的实验和理论研究，被誉为这一领域的先驱者。他把原子核物理理论应用于天体物理学的研究成为核天体物理学这个新学科的奠基人。
他因为对宇宙化学元素形成机制的研究而荣获 1983年度的诺贝尔物理学奖。
1，元素及宇宙中元素分布宇宙化学元素合成宇宙中存在的各种各样的物质都是由各种元素组成。地球、行星、太阳、恒星、星云以及星际介质中具有各种各样但不尽相同的元素及同位素。这些元素是在宇宙演化的不同阶段和不同的恒星演化过程中产生的。
弄清楚宇宙中各种元素的生成机制及形成目前观测到的丰度一直是科学家探求解决的难题。
问题讨论
1，地球上有多少种元素？
2，有什么方法可以探知恒星中或宇宙中的化学成分？
丰富的物质世界今天的物质世界丰富多采，是因为有多种多样的元素存在。宇宙中的万物都是由元素周期表中列出的各种元素所组成。
不同元素的差别不同的元素仅仅是它们原子核中的质子数和中子数的不同。具有相同质子数，但中子数不同的原子核形成同位素。
20世纪 20年代，天文学家通过光谱分析知道太阳物质组成。
地球上的化学元素地球上的化学元素种类繁多，宇宙其它天体上有的地球上都有。
人体中也有丰富的元素，不仅有铁、
碳、氮、钙、锂、铍、硼、氢，还有微量的比铁更重的元素。
元素丰度太阳上的元素相对于氢的丰度是：
氢（ H） =1.0;氦（ He） =0.38;
氧 (O)=0.001;碳 (C)=0.00052;
氮 (N)=0.0001;
硅 (Si),镁 (Mg),铁 (Fe),钠 (Na),
钙 (Ca),镍 (Ni),铬 (Cr),等在
0.000028以下。
什么是重元素与通常意义下的重元素不同。
天文学上习惯把氢和氦以外的元素称为重元素。大多数恒星上的元素丰度都差不多，也有某些种类的恒星的元素丰度差别比较大。
宇宙中最多的元素宇宙中最多的元素是氢原子，其原子核就是质子。按质量计，它约占宇宙全部看得见的物质的 3／ 4。第二多的元素是氦，约占全宇宙的 1／ 4。所有其他元素的总和只占不足百分之一。但是不足百分之一其它元素种类繁多。
氢 氦 碳 氧
16
8
12
6
4
2
1
1 OCHeH －－－
原子核用符号
X 为原子核所对应的元素符号
A 为质量数，中子和质子的总数
Z 为质子数
A
ZX
2，原子核和核反应
α,β,γ三种射线的发现
19世纪末发现天然放射现象后，科学家认识到原子核的复杂结构和核反应。
放射性元素铀、钋和镭放出 α，
β,γ三种射线。
电场
氦核
电子
光子利用电场作实验，由照相底片纪录
α射线是氦的原子核,β射线是电子,γ射线是能量很高的光子。
在发现质子和中子后，才最后弄清楚原子核是由质子和中子组成的。
核力在原子核中有多个质子存在，质子带正电，彼此排斥。必然有一种力把众多的质子和中子紧紧地聚集在一起的。这就是核力。
核力的作用范围非常小，作用距离只有 10-13厘米。
引力电磁力电磁力比引力强得多 !
2/')( dG m mgF?
2/')( dqqeF?
39103.2)(/)(gFeF
原子核之间接近很困难原子核（或质子）之间的静电斥力和它们的电量成正比，和它们之间的距离的平方成反比。它们越接近，斥力越大。原子核中的质子越多，斥力越大。
核聚变的困难原子核是带正电的，同性电荷相斥使它们不可能彼此靠近。要使几个带正电的原子核或质子发生聚变，必须使它们彼此接近到 10-13厘米核力能起作用的范围内。
人工核反应
1919年卢瑟福用?粒子（氦核）轰击氮原子核，观测到闪光,确认为质子
1930年发现由?粒子轰击铍（ Be）
时产生穿透力极强的射线，后来确认为中子
高能带电粒子加速器，实行人工核反应带电粒子加速器如何加速？
带电粒子在电场和磁场中受什么力？
电场力和罗伦兹力。
加速器的原理：利用带电粒子在电场和磁场中受电场力和罗伦兹力的作用可以获得加速度的原理，研制成各种的高能带电粒子加速器。
目前世界上的大型加速器可以把质子加速到 10000亿电子伏特的能量。
加速器使带电粒子获得很高的能量，
成为轰击原子核的炮弹，实现人工原子核反应。
能量单位：电子伏特常用的有伏安（伏特 ·安培）
实现加速途径：
1，高温
2，高密，简并气体
3，加速器
3，太阳的能源太阳能源和热核反应太阳的表面温度大约为 6000度，而中心温度却高达 1200万度。它每秒钟向太空辐射的能量为 3.8 × 1026焦耳。
太阳的年龄已经超过 50亿年。根据地质资料，在这么长的时间内太阳的辐射能没有明显的变化。这表明，必定有一个长期而稳定的能源。
懂得少的比懂得多的人聪明爱丁顿提出恒星能源来自核反应
1926年，爱丁顿首先提出恒星的能源只能是来自核反应。
研究核反应的物理学家认为不可能当时的物理学研究知道，只有当温度达到几百亿度时，才能发生聚变。
而恒星中心区域的温度达不到这样的高温，所以他们认为在恒星内部不可能发生核反应。
爱丁顿胜利了最后还是爱丁顿胜利了，物理学家终于发现，由于量子力学的隧道效应，在恒星内部温度的条件下是可以发生核反应的。
但并不是爱丁顿解决的这个难题，他提出的看法和他的名气促进物理学家研究这个问题。
氢核聚变氢核聚变为氦核是由 4个氢核（质子）
和两个电子形成的。
但是不可能由它们直接形成。因为，
要让 6个粒子同时碰撞太难了，即使它们的速度足以使它们碰撞，但 6个粒子同时碰撞的机会实在是太小了。
氢聚变反应的质量损失
4个氢原子核总质量：
4.0291原子质量单位氦原子核质量
4.0015原子质量单位质量亏损：
0.0276原子质量单位爱因斯坦质能关系,E=mc2
每次氢聚变反应放出 4.12× 10－ 12焦耳
1克氢的聚变,6.21× 1011焦耳可使 1500吨水从 0度加热到 100度太阳质量＝ 4× 1033克,70％为氢若其一半聚变为氦，足用 350亿年太阳中的产能区氢聚变为氦的反应只有在 1千多万度的高温下才能有效地进行。太阳内部的温度是由中心在外逐渐降低的。只有中心附近的一个约为太阳半径的 1/10的区域可进行氢聚变核反应。
产能核心每秒钟产生约 4× 1026焦耳的能量，正好和目前观测到的太阳辐射相当。
福勒福勒 1933年就读于俄亥俄州立大学工程物理系。 1936年他在加州理工学院获哲学博士学位。一直在加州理工学院凯洛格福辐射实验室工作。
4，质子－质子反应和
,碳－氮一氧循环,
氢核聚变为氦核
最简单的聚变反应
4个质子＋ 2个电子同时碰在一起太困难了。
质子之间的静电斥力和它们之间的距离的平方成反比。它们越接近，斥力越大。
分几次完成是可行的氢聚变是由分三个步骤完成：
(P-P反应 )
1，两个质子碰撞并发生聚变，形成氢的同位素氘 ( )
2，由氘和质子碰撞形成氦的同位素氦 3
3，两个氦 3( )碰撞形成氦核，完成由氢核聚变为氦核 ( )的反应。
2
1H
32He
4
2He
1
1
4
2
3
2
3
2
3
2
1
1
2
1
2
1
1
1
1
1
2 HHeHeHe
HeHH
eHHH
e
质子－质子链式反应注意,元素由原子核中的质子数决定
P－ P反应共 6个质子参与，形成两个质子、一个氦核、两个中微子、两个正电子和两个光子。
同时释放 24.158电子伏特的能量。
在太阳和恒星内部没有类似的加速器，发生聚变核反应只能靠高温。
高温使原子电离为原子核和电子，同时使部分原子核具有很高的动能，使它们能克服库仑斥力达到可以发生聚变的程度。
氢弹爆炸在地球上已成功地实现氢聚变的热核反应，那就是氢弹爆炸。
在太阳或其它和太阳质量差不多的恒星所具有的温度条件下，
只能有氢聚变为氦的反应。
,碳－氮－氧”循环美国核物理学家贝特于 1936年发表关于氢聚变为氦的,碳－氮一氧循环,
论文。
年轻的福勒从 1933年起就从事碳、
氮、氧循环,中第一个反应的研究。提供了检验,碳－氮一氧循环,可行性的实验证据。
碳－氮－氧循环形成氦核
1，首先由碳核和一个氢核（质子）
碰撞，形成氮同位素核。
2，它是放射性核，很快就放出两个轻粒子（正电子和中微子）形成碳同位素的核。
eeCN
NHC
＋
＋＋
13
6
13
7
13
7
1
1
12
6
3,由形成碳同位素的核和质子反应形成氮核
4，由氮核和质子相碰撞形成氧同位素核，也是放射性核，它放出一个正电子和一个中微子后衰变为氮同位素核
＋＋ 14711136 NHC?
eeNO
OHN
＋
＋＋
15
7
15
8
15
8
1
1
14
7
5，最后，由氮同位素核和一个质子碰撞形成碳核和氦核最终是 4个氢原子核合成一个氦核，
同时产生两个正电子，两个中微子和三个光子，释放出 25.03兆电子伏特的能量。这一系列的反应都是放热反应，因此可提供能源。
4
2
12
6
1
1
15
7 HeCHN ＋＋?
条件
1，参加核反应的碳、氮、氧在反应前后并没有改变，特别是氮、氧是中间产物,产生了又消失。 但一定要有碳存在；
2，碳、氮、氧循环要求 1500万的高温；
3,要有足够多的氢核 (质子 )，就可以成为稳定的能源。
碳从那里来？
,碳－氮－氧循环,提出 10年后，仍未得到公认。最大的困难要有足够的碳元素存在。没有人给出恒星中产生碳元素的机制。
碳元素从何而来福勒等的实验：
1，由硼 的同位素的衰变制造出碳 12的激发态
2，发现有一些激发态的碳分裂为 3个氦核。这一核反应是可逆的，说明 3个氦核也可以结合成碳核－,氦燃烧,
11
5B
12
5B
12
6C
碳元素合成的重要意义碳元素合成为恒星元素合成理论的关键，其它重元素在恒星中合成的问题就很容易解决。
如用氦核（ α粒子）轰击碳原子核，
就可以使它增加 4个原子质量单位，新形成的核又会衰变为其它元素和同位素。
5,重元素的产生和
B2FH元素形成理论地球上的重元素来自何方？
地球上现存的所有比铁重的元素，
我们人体中的微量重元素都是 50亿年以前超新星爆发的遗留物。除了宇宙大爆炸后形成的第一批恒星外，
其它恒星中也都会有超新星爆发的遗留物。
核反应的条件－－温度由于原子核之间的静电斥力正比两者所带电荷之乘积，因此不同的核反应必须要在不同的温度下才能进行。
碳、氮、氧循环需要 1500万度以上的高温。
更重原子核之间的反应，需要的温度更高。
重元素的产生不是所有恒星都能产生比氦重的元素，由于合成重元素要求特别高的温度和压强，只有比较少的一部分大质量恒星能够产生重元素的核反应。
比铁更重的元素，则是在超新星爆发短暂的时间内产生的。
小质量恒星的演化
（ 1－ 6倍太阳质量）
中心部分温度不太高，低于 5亿度，
密度也不太大，中心以碳和氧为主，
不会发生新的热核反应。
中心坍缩的结果是形成白矮星，外部大气形成行星状星云。
不同质量的主序星寿命在主序星阶段由热核反应提供能源，
其寿命由由核燃料的燃烧殆尽的时间来决定，质量大的恒星热核反应迅速，
核燃料消耗很快。而小质量恒星的核燃料消耗非常慢，因此大质量恒星的寿命要比小质量恒星的寿命短得多。
质量是主宰恒星演化的決定性因素。
小质量恒星中心核反应中等质量恒星的演化
（ 8－ 10倍太阳质量）
中心部分温度比较高，达 8亿度，密度也更大。可发生以碳元素为燃料的一系列核反应，形成镁、钠、氖、氧等。
均为放热反应，很剧烈。最后将发展成爆炸，产生冲击波，引起外层的核反应，导致大规模爆发－超新星爆发。中心形成中子星。
大质量恒星的演化
（大于 20倍太阳质量）
由于体积比太阳大得多，密度不太 高，中心部分进行碳、氧燃烧。
最后形成以铁为主的核心。
以后即使有核反应也是吸热反应 。
这之后，恒星就要坍缩，引起超新星爆发，中心留下一个黑洞。
大质量恒星中心核反应
B2FH元素形成理论
B2 伯比奇夫妇（著名天文学家）
F 福勒（核物理学家）
H 霍伊尔（著名天文学家）
福勒和霍伊尔福勒和虽是这篇论文的第三作者，
但他却是核心人物。霍伊尔的作用也很大。出于谦虚和对著名天文学家伯比奇夫妇的尊敬，没有当第一作者。
这一理论已成功地解决了恒星中碳元素形成的问题。
碳元素合成是关键碳元素合成问题的解决成为恒星元素合成理论的关键。以此为例，其它重元素在恒星中合成的问题就很容易解决。
如用氦核（ α 粒子）轰击原子核，
每次使核的质量增加 4个原子质量单位，新形成的核又会衰变为其它元素和同位素。
对于比铁更重的元素，单个中子打进原子核的反应也是很重要的。每次可以使核增加一个质量单位。
核反应实验各种元素合成的核反应过程是否能实现取决于它们的反应速率和反应截面，以及反应所要求的温度和压强条件。这些都是要在实验室中进行 实验和测量的。这些实验和计算非常繁杂，
工作量很大。
福勒的贡献福勒和他的小组成功的完成了生成恒星中所有的元素及其同位素的将近
100个核反应过程的反应速率的计算，
为 B2FH理论的建立作好了充分地准备。
福勒和凯洛格实验室的合作者对恒星核合成理论的形成起了关键作用。
B2FH元素形成理论于 1956年在 <<现代物理评论 >>期刊上发表题为,星体元素的合成法”的论文，全面阐述了重元素在恒星内部发生的核反应中生成的理论。
元素由原子核中的质子数决定
质子数相同，中子数不同形成同位素
可作为炮弹的粒子：
中子质子（氢原子核）
氦原子核
B2FH理论的八个过程之一：
氢聚变为氦核
1，质子－质子反应和
2，,碳－氮一氧循环,
B2FH理论的八个过程之二氦核聚变为碳核和氧核等
4
2He
12
6C
16
8O
B2FH理论的八个过程之三
－ α 过程
α 粒子与氖同位素相继反应生成镁、硅、硫、氩等的过程
20
10Ne
36
18
32
16
28
14
24
12,,,ArSSiMg
4
2He
B2FH理论的八个过程之四
--e(平衡）过程高能光子和原子核大量碰撞，导致原子核破裂，碎片很快同其它粒子结合，形成铁峰元素（钒、铬、锰、铁、钴、镍等）
58
28
59
27
56
26
55
25
52
24
51
23,,,,,NiCoFeMnCrV
B2FH理论的八个过程之五
－－ s（ 慢）过程慢中子俘获过程，合成比铁峰元素更重的元素。俘获中子不需克服库仑势垒，比较容易发生。
原子核（ Z,A）－－（ Z,A＋ 1） 之后有 2个可能的过程,1,再俘获一个中子；
2，中子衰变为质子和电子；
S过程为再俘获的概率比衰变的小
B2FH理论的八个过程之六
－－ r（ 快）过程快中子俘获过程。
r过程为再俘获中子的概率比中子衰变的概率大。
合成比铁峰元素更重的元素；
B2FH理论的八个过程之七
－－ p（ 质子）过程质子俘获过程，以合成一些低丰度的富质子同位素；
通过俘获质子放出?光子形成新的元素；
通过吸收?光子放出中子形成新元素
（超新星爆发时
B2FH理论的八个过程之八
X过程,生成低丰度轻元素氘、
锂、铍、硼等极高的评价
B2FH的论文受到，被视为科学经典论文。认为这篇论文解决了在恒星中产生各种天然元素的难题。
这一理论提出了恒星不同演化阶段相应的八种核反应合成过程，可以形成所有的元素及其同位素。
B2FH理论的发展
（别人的工作）
1，碳燃烧，温度
2，氧燃烧
3，硅燃烧
KT 8106
KT 910?
KT 91043 〕－（
超新星爆发是重元素产生的重要过程比铁更重的元素，是在超新星爆发短暂的时间内产生的。随着超新星爆炸，众多的重元素便撒到宇宙空间去了。
地球上重元素的来源我们地球上现存的所有比铁重的，
我们人体中的微量重元素都是 50亿年以前超新星爆发的遗留物。
除了宇宙大爆炸后形成的第一批恒星外，其它恒星中也都会有超新星爆发的遗留物。
恒星上的氦的比例约占 30％，
但是用恒星上元素形成理论不能得到这么多。
大量氦是在宇宙演化早期产生的。
第六章 要求 （有星号的为习题）
*1，什么是 赫罗图？为什么说赫罗图非常重要？
2,原恒星和主序星的差别是什么？
*3,为什么说天狼星的伴星是白矮星?
4,白矮星的主要特点是什么？
5，如何评说钱德拉塞卡和爱丁顿的 争论
*6，向钱德拉塞卡学习什么？
第七章 要求（有星号的为习题）
1,宇宙中的元素及其丰度。
2，如何探知恒星中或宇宙中的化学成分。
3，用 表示原子核，写出氢、氦、碳、
氧核的表达式。
*4，试说明产生氦原子核的质子－质子反应。
*5，试说明太阳和恒星的能源，为什么太阳演化的结局是红巨星？
6，福勒的贡献和治学特点
A
ZX
1，核能和爱因斯坦的 E＝ mc2
2，恒星的能源和寿命
3，恒星上元素的分布
4，恒星上元素的合成
5，福勒的贡献和获 1983年诺贝尔奖福勒从事与元素合成有关核反应的实验和理论研究，被誉为这一领域的先驱者。他把原子核物理理论应用于天体物理学的研究成为核天体物理学这个新学科的奠基人。
他因为对宇宙化学元素形成机制的研究而荣获 1983年度的诺贝尔物理学奖。
1，元素及宇宙中元素分布宇宙化学元素合成宇宙中存在的各种各样的物质都是由各种元素组成。地球、行星、太阳、恒星、星云以及星际介质中具有各种各样但不尽相同的元素及同位素。这些元素是在宇宙演化的不同阶段和不同的恒星演化过程中产生的。
弄清楚宇宙中各种元素的生成机制及形成目前观测到的丰度一直是科学家探求解决的难题。
问题讨论
1，地球上有多少种元素？
2，有什么方法可以探知恒星中或宇宙中的化学成分？
丰富的物质世界今天的物质世界丰富多采，是因为有多种多样的元素存在。宇宙中的万物都是由元素周期表中列出的各种元素所组成。
不同元素的差别不同的元素仅仅是它们原子核中的质子数和中子数的不同。具有相同质子数，但中子数不同的原子核形成同位素。
20世纪 20年代，天文学家通过光谱分析知道太阳物质组成。
地球上的化学元素地球上的化学元素种类繁多，宇宙其它天体上有的地球上都有。
人体中也有丰富的元素，不仅有铁、
碳、氮、钙、锂、铍、硼、氢，还有微量的比铁更重的元素。
元素丰度太阳上的元素相对于氢的丰度是：
氢（ H） =1.0;氦（ He） =0.38;
氧 (O)=0.001;碳 (C)=0.00052;
氮 (N)=0.0001;
硅 (Si),镁 (Mg),铁 (Fe),钠 (Na),
钙 (Ca),镍 (Ni),铬 (Cr),等在
0.000028以下。
什么是重元素与通常意义下的重元素不同。
天文学上习惯把氢和氦以外的元素称为重元素。大多数恒星上的元素丰度都差不多，也有某些种类的恒星的元素丰度差别比较大。
宇宙中最多的元素宇宙中最多的元素是氢原子，其原子核就是质子。按质量计，它约占宇宙全部看得见的物质的 3／ 4。第二多的元素是氦，约占全宇宙的 1／ 4。所有其他元素的总和只占不足百分之一。但是不足百分之一其它元素种类繁多。
氢 氦 碳 氧
16
8
12
6
4
2
1
1 OCHeH －－－
原子核用符号
X 为原子核所对应的元素符号
A 为质量数，中子和质子的总数
Z 为质子数
A
ZX
2，原子核和核反应
α,β,γ三种射线的发现
19世纪末发现天然放射现象后，科学家认识到原子核的复杂结构和核反应。
放射性元素铀、钋和镭放出 α，
β,γ三种射线。
电场
氦核
电子
光子利用电场作实验，由照相底片纪录
α射线是氦的原子核,β射线是电子,γ射线是能量很高的光子。
在发现质子和中子后，才最后弄清楚原子核是由质子和中子组成的。
核力在原子核中有多个质子存在，质子带正电，彼此排斥。必然有一种力把众多的质子和中子紧紧地聚集在一起的。这就是核力。
核力的作用范围非常小，作用距离只有 10-13厘米。
引力电磁力电磁力比引力强得多 !
2/')( dG m mgF?
2/')( dqqeF?
39103.2)(/)(gFeF
原子核之间接近很困难原子核（或质子）之间的静电斥力和它们的电量成正比，和它们之间的距离的平方成反比。它们越接近，斥力越大。原子核中的质子越多，斥力越大。
核聚变的困难原子核是带正电的，同性电荷相斥使它们不可能彼此靠近。要使几个带正电的原子核或质子发生聚变，必须使它们彼此接近到 10-13厘米核力能起作用的范围内。
人工核反应
1919年卢瑟福用?粒子（氦核）轰击氮原子核，观测到闪光,确认为质子
1930年发现由?粒子轰击铍（ Be）
时产生穿透力极强的射线，后来确认为中子
高能带电粒子加速器，实行人工核反应带电粒子加速器如何加速？
带电粒子在电场和磁场中受什么力？
电场力和罗伦兹力。
加速器的原理：利用带电粒子在电场和磁场中受电场力和罗伦兹力的作用可以获得加速度的原理，研制成各种的高能带电粒子加速器。
目前世界上的大型加速器可以把质子加速到 10000亿电子伏特的能量。
加速器使带电粒子获得很高的能量，
成为轰击原子核的炮弹，实现人工原子核反应。
能量单位：电子伏特常用的有伏安（伏特 ·安培）
实现加速途径：
1，高温
2，高密，简并气体
3，加速器
3，太阳的能源太阳能源和热核反应太阳的表面温度大约为 6000度，而中心温度却高达 1200万度。它每秒钟向太空辐射的能量为 3.8 × 1026焦耳。
太阳的年龄已经超过 50亿年。根据地质资料，在这么长的时间内太阳的辐射能没有明显的变化。这表明，必定有一个长期而稳定的能源。
懂得少的比懂得多的人聪明爱丁顿提出恒星能源来自核反应
1926年，爱丁顿首先提出恒星的能源只能是来自核反应。
研究核反应的物理学家认为不可能当时的物理学研究知道，只有当温度达到几百亿度时，才能发生聚变。
而恒星中心区域的温度达不到这样的高温，所以他们认为在恒星内部不可能发生核反应。
爱丁顿胜利了最后还是爱丁顿胜利了，物理学家终于发现，由于量子力学的隧道效应，在恒星内部温度的条件下是可以发生核反应的。
但并不是爱丁顿解决的这个难题，他提出的看法和他的名气促进物理学家研究这个问题。
氢核聚变氢核聚变为氦核是由 4个氢核（质子）
和两个电子形成的。
但是不可能由它们直接形成。因为，
要让 6个粒子同时碰撞太难了，即使它们的速度足以使它们碰撞，但 6个粒子同时碰撞的机会实在是太小了。
氢聚变反应的质量损失
4个氢原子核总质量：
4.0291原子质量单位氦原子核质量
4.0015原子质量单位质量亏损：
0.0276原子质量单位爱因斯坦质能关系,E=mc2
每次氢聚变反应放出 4.12× 10－ 12焦耳
1克氢的聚变,6.21× 1011焦耳可使 1500吨水从 0度加热到 100度太阳质量＝ 4× 1033克,70％为氢若其一半聚变为氦，足用 350亿年太阳中的产能区氢聚变为氦的反应只有在 1千多万度的高温下才能有效地进行。太阳内部的温度是由中心在外逐渐降低的。只有中心附近的一个约为太阳半径的 1/10的区域可进行氢聚变核反应。
产能核心每秒钟产生约 4× 1026焦耳的能量，正好和目前观测到的太阳辐射相当。
福勒福勒 1933年就读于俄亥俄州立大学工程物理系。 1936年他在加州理工学院获哲学博士学位。一直在加州理工学院凯洛格福辐射实验室工作。
4，质子－质子反应和
,碳－氮一氧循环,
氢核聚变为氦核
最简单的聚变反应
4个质子＋ 2个电子同时碰在一起太困难了。
质子之间的静电斥力和它们之间的距离的平方成反比。它们越接近，斥力越大。
分几次完成是可行的氢聚变是由分三个步骤完成：
(P-P反应 )
1，两个质子碰撞并发生聚变，形成氢的同位素氘 ( )
2，由氘和质子碰撞形成氦的同位素氦 3
3，两个氦 3( )碰撞形成氦核，完成由氢核聚变为氦核 ( )的反应。
2
1H
32He
4
2He
1
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2
3
2
1
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1
2 HHeHeHe
HeHH
eHHH
e
质子－质子链式反应注意,元素由原子核中的质子数决定
P－ P反应共 6个质子参与，形成两个质子、一个氦核、两个中微子、两个正电子和两个光子。
同时释放 24.158电子伏特的能量。
在太阳和恒星内部没有类似的加速器，发生聚变核反应只能靠高温。
高温使原子电离为原子核和电子，同时使部分原子核具有很高的动能，使它们能克服库仑斥力达到可以发生聚变的程度。
氢弹爆炸在地球上已成功地实现氢聚变的热核反应，那就是氢弹爆炸。
在太阳或其它和太阳质量差不多的恒星所具有的温度条件下，
只能有氢聚变为氦的反应。
,碳－氮－氧”循环美国核物理学家贝特于 1936年发表关于氢聚变为氦的,碳－氮一氧循环,
论文。
年轻的福勒从 1933年起就从事碳、
氮、氧循环,中第一个反应的研究。提供了检验,碳－氮一氧循环,可行性的实验证据。
碳－氮－氧循环形成氦核
1，首先由碳核和一个氢核（质子）
碰撞，形成氮同位素核。
2，它是放射性核，很快就放出两个轻粒子（正电子和中微子）形成碳同位素的核。
eeCN
NHC
＋
＋＋
13
6
13
7
13
7
1
1
12
6
3,由形成碳同位素的核和质子反应形成氮核
4，由氮核和质子相碰撞形成氧同位素核，也是放射性核，它放出一个正电子和一个中微子后衰变为氮同位素核
＋＋ 14711136 NHC?
eeNO
OHN
＋
＋＋
15
7
15
8
15
8
1
1
14
7
5，最后，由氮同位素核和一个质子碰撞形成碳核和氦核最终是 4个氢原子核合成一个氦核，
同时产生两个正电子，两个中微子和三个光子，释放出 25.03兆电子伏特的能量。这一系列的反应都是放热反应，因此可提供能源。
4
2
12
6
1
1
15
7 HeCHN ＋＋?
条件
1，参加核反应的碳、氮、氧在反应前后并没有改变，特别是氮、氧是中间产物,产生了又消失。 但一定要有碳存在；
2，碳、氮、氧循环要求 1500万的高温；
3,要有足够多的氢核 (质子 )，就可以成为稳定的能源。
碳从那里来？
,碳－氮－氧循环,提出 10年后，仍未得到公认。最大的困难要有足够的碳元素存在。没有人给出恒星中产生碳元素的机制。
碳元素从何而来福勒等的实验：
1，由硼 的同位素的衰变制造出碳 12的激发态
2，发现有一些激发态的碳分裂为 3个氦核。这一核反应是可逆的，说明 3个氦核也可以结合成碳核－,氦燃烧,
11
5B
12
5B
12
6C
碳元素合成的重要意义碳元素合成为恒星元素合成理论的关键，其它重元素在恒星中合成的问题就很容易解决。
如用氦核（ α粒子）轰击碳原子核，
就可以使它增加 4个原子质量单位，新形成的核又会衰变为其它元素和同位素。
5,重元素的产生和
B2FH元素形成理论地球上的重元素来自何方？
地球上现存的所有比铁重的元素，
我们人体中的微量重元素都是 50亿年以前超新星爆发的遗留物。除了宇宙大爆炸后形成的第一批恒星外，
其它恒星中也都会有超新星爆发的遗留物。
核反应的条件－－温度由于原子核之间的静电斥力正比两者所带电荷之乘积，因此不同的核反应必须要在不同的温度下才能进行。
碳、氮、氧循环需要 1500万度以上的高温。
更重原子核之间的反应，需要的温度更高。
重元素的产生不是所有恒星都能产生比氦重的元素，由于合成重元素要求特别高的温度和压强，只有比较少的一部分大质量恒星能够产生重元素的核反应。
比铁更重的元素，则是在超新星爆发短暂的时间内产生的。
小质量恒星的演化
（ 1－ 6倍太阳质量）
中心部分温度不太高，低于 5亿度，
密度也不太大，中心以碳和氧为主，
不会发生新的热核反应。
中心坍缩的结果是形成白矮星，外部大气形成行星状星云。
不同质量的主序星寿命在主序星阶段由热核反应提供能源，
其寿命由由核燃料的燃烧殆尽的时间来决定，质量大的恒星热核反应迅速，
核燃料消耗很快。而小质量恒星的核燃料消耗非常慢，因此大质量恒星的寿命要比小质量恒星的寿命短得多。
质量是主宰恒星演化的決定性因素。
小质量恒星中心核反应中等质量恒星的演化
（ 8－ 10倍太阳质量）
中心部分温度比较高，达 8亿度，密度也更大。可发生以碳元素为燃料的一系列核反应，形成镁、钠、氖、氧等。
均为放热反应，很剧烈。最后将发展成爆炸，产生冲击波，引起外层的核反应，导致大规模爆发－超新星爆发。中心形成中子星。
大质量恒星的演化
（大于 20倍太阳质量）
由于体积比太阳大得多，密度不太 高，中心部分进行碳、氧燃烧。
最后形成以铁为主的核心。
以后即使有核反应也是吸热反应 。
这之后，恒星就要坍缩，引起超新星爆发，中心留下一个黑洞。
大质量恒星中心核反应
B2FH元素形成理论
B2 伯比奇夫妇（著名天文学家）
F 福勒（核物理学家）
H 霍伊尔（著名天文学家）
福勒和霍伊尔福勒和虽是这篇论文的第三作者，
但他却是核心人物。霍伊尔的作用也很大。出于谦虚和对著名天文学家伯比奇夫妇的尊敬，没有当第一作者。
这一理论已成功地解决了恒星中碳元素形成的问题。
碳元素合成是关键碳元素合成问题的解决成为恒星元素合成理论的关键。以此为例，其它重元素在恒星中合成的问题就很容易解决。
如用氦核（ α 粒子）轰击原子核，
每次使核的质量增加 4个原子质量单位，新形成的核又会衰变为其它元素和同位素。
对于比铁更重的元素，单个中子打进原子核的反应也是很重要的。每次可以使核增加一个质量单位。
核反应实验各种元素合成的核反应过程是否能实现取决于它们的反应速率和反应截面，以及反应所要求的温度和压强条件。这些都是要在实验室中进行 实验和测量的。这些实验和计算非常繁杂，
工作量很大。
福勒的贡献福勒和他的小组成功的完成了生成恒星中所有的元素及其同位素的将近
100个核反应过程的反应速率的计算，
为 B2FH理论的建立作好了充分地准备。
福勒和凯洛格实验室的合作者对恒星核合成理论的形成起了关键作用。
B2FH元素形成理论于 1956年在 <<现代物理评论 >>期刊上发表题为,星体元素的合成法”的论文，全面阐述了重元素在恒星内部发生的核反应中生成的理论。
元素由原子核中的质子数决定
质子数相同，中子数不同形成同位素
可作为炮弹的粒子：
中子质子（氢原子核）
氦原子核
B2FH理论的八个过程之一：
氢聚变为氦核
1，质子－质子反应和
2，,碳－氮一氧循环,
B2FH理论的八个过程之二氦核聚变为碳核和氧核等
4
2He
12
6C
16
8O
B2FH理论的八个过程之三
－ α 过程
α 粒子与氖同位素相继反应生成镁、硅、硫、氩等的过程
20
10Ne
36
18
32
16
28
14
24
12,,,ArSSiMg
4
2He
B2FH理论的八个过程之四
--e(平衡）过程高能光子和原子核大量碰撞，导致原子核破裂，碎片很快同其它粒子结合，形成铁峰元素（钒、铬、锰、铁、钴、镍等）
58
28
59
27
56
26
55
25
52
24
51
23,,,,,NiCoFeMnCrV
B2FH理论的八个过程之五
－－ s（ 慢）过程慢中子俘获过程，合成比铁峰元素更重的元素。俘获中子不需克服库仑势垒，比较容易发生。
原子核（ Z,A）－－（ Z,A＋ 1） 之后有 2个可能的过程,1,再俘获一个中子；
2，中子衰变为质子和电子；
S过程为再俘获的概率比衰变的小
B2FH理论的八个过程之六
－－ r（ 快）过程快中子俘获过程。
r过程为再俘获中子的概率比中子衰变的概率大。
合成比铁峰元素更重的元素；
B2FH理论的八个过程之七
－－ p（ 质子）过程质子俘获过程，以合成一些低丰度的富质子同位素；
通过俘获质子放出?光子形成新的元素；
通过吸收?光子放出中子形成新元素
（超新星爆发时
B2FH理论的八个过程之八
X过程,生成低丰度轻元素氘、
锂、铍、硼等极高的评价
B2FH的论文受到，被视为科学经典论文。认为这篇论文解决了在恒星中产生各种天然元素的难题。
这一理论提出了恒星不同演化阶段相应的八种核反应合成过程，可以形成所有的元素及其同位素。
B2FH理论的发展
（别人的工作）
1，碳燃烧，温度
2，氧燃烧
3，硅燃烧
KT 8106
KT 910?
KT 91043 〕－（
超新星爆发是重元素产生的重要过程比铁更重的元素，是在超新星爆发短暂的时间内产生的。随着超新星爆炸，众多的重元素便撒到宇宙空间去了。
地球上重元素的来源我们地球上现存的所有比铁重的，
我们人体中的微量重元素都是 50亿年以前超新星爆发的遗留物。
除了宇宙大爆炸后形成的第一批恒星外，其它恒星中也都会有超新星爆发的遗留物。
恒星上的氦的比例约占 30％，
但是用恒星上元素形成理论不能得到这么多。
大量氦是在宇宙演化早期产生的。
第六章 要求 （有星号的为习题）
*1，什么是 赫罗图？为什么说赫罗图非常重要？
2,原恒星和主序星的差别是什么？
*3,为什么说天狼星的伴星是白矮星?
4,白矮星的主要特点是什么？
5，如何评说钱德拉塞卡和爱丁顿的 争论
*6，向钱德拉塞卡学习什么？
第七章 要求（有星号的为习题）
1,宇宙中的元素及其丰度。
2，如何探知恒星中或宇宙中的化学成分。
3，用 表示原子核，写出氢、氦、碳、
氧核的表达式。
*4，试说明产生氦原子核的质子－质子反应。
*5，试说明太阳和恒星的能源，为什么太阳演化的结局是红巨星？
6，福勒的贡献和治学特点
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ZX
