质子-质子链反应
质子-质子链(也就是所谓的p-p链)是恒星内部将氢原子核(质子)融合成氦原子核的一种核聚变反应过程。这一过程在质量小于或等于太阳的恒星中占据主导地位。在太阳或更小的恒星中,p-p链反应是产生能量的主要方式。p-p链反应需要克服两个氢原子核之间的静电斥力,这通常需要很高的能量,即使在太阳的高温核心中,这个过程也相当缓慢。
发展历程
-1920年代:亚瑟·史坦利·艾丁顿提出太阳和其他恒星燃烧产生能量的理论基础,即质子-质子链反应。
-1938年和1939年:汉斯·贝特独立提出了碳氮氧循环,这是另一种恒星内部产生能量的主要过程,与质子-质子链反应一起,共同构成了恒星的能量来源。
-20世纪60~70年代:在欧洲核子研究中心CERN运行的交叉储存环ISR,作为当时世界第一台最高质心系能量(60 GeV)的质子-质子对撞机,开展了质子-质子相互作用的研究。
-2007年:Borexino太阳中微子实验设施开始运行,位于意大利的大萨索国家实验室,它在1千多米的地下进行实验。
-2019年:Borexino实验中的铋噪声降低到足够安静的水平,使得中微子信号得以凸显。
-2020年初:Borexino实验团队宣布他们已经收集了足够的粒子,可以明确探测到来自碳氮反应核聚变链的中微子,这为质子-质子链反应提供了直接证据,并有助于理解太阳的能量来源和核心结构。
质子-质子链公式
质子-质子链是一种核聚变过程,发生在恒星如太阳的核心中,这个过程涉及几个步骤,主要分为两个分支:p-p链和pep反应。
p-p链的步骤如下:
第一步:两个质子(1H)融合,形成一个重氢核(2H,即氘)和一个正电子(e+)以及一个中微子(νe)。1𝐻+1𝐻→2𝐻+𝑒++𝜈𝑒第二步:新形成的氘核捕获另一个质子,形成一个氦-3核(3He)并释放一个γ射线。2𝐻+1𝐻→3𝐻𝑒+𝛾
第三步:两个氦-3核融合,形成一个氦-4核(4He)并释放两个质子。
3𝐻𝑒+3𝐻𝑒→4𝐻𝑒+2𝑝
pep反应(质子-电子-质子反应):
这是一个较少见的分支,涉及电子的捕获:
1𝐻+𝑒−+1𝐻→2𝐻+𝜈𝑒
在太阳,pep反应和pp反应的比率是1:400,但是pep反应产生的中微子拥有更高的能量:在pp反应的第一步产生的中微子能量是0.42MeV,而pep反应产生的中微子谱线能量集中在1.44MeV。
pep和pp反应可以被看成是相同的基本交互作用,以两种不同的费曼表示。此处电子穿越到反应的右边成为一个反电子,这在图1中表示的是恒星内的质子-质子和电子捕获链反应。
Borexino实验
Borexino实验位于意大利的大萨索国家实验室,Borexino实验使用一种名为液体闪烁体的特殊物质作为探测器,它能够探测到p-p链中产生的各种类型的中微子,包括来自质子-质子融合的中微子以及来自更罕见的pep反应(质子-电子-质子)的中微子。Borexino实验的精确测量结果帮助科学家更准确地理解了太阳内部的核反应过程,并为中微子物理学提供了重要的数据。
参考链接:
- https://baike.sogou.com/v70805839.htm、、
- https://baike.baidu.com/item/%E8%B4%A8%E5%AD%90%EF%B9%A3%E8%B4%A8%E5%AD%90%E9%93%BE%E5%8F%8D%E5%BA%94/22776031
- https://en.wikipedia.org/wiki/Proton%E2%80%93proton_chain
- https://www.bilibili.com/video/BV1rg4y1q74f/?p=6&vd_source=decd14bf5f4726f275bee309a588f552