氢燃烧和氦燃烧

为绝大多数恒星提供能量的两种反应是氢聚变为氦，以及随后氦聚变为碳；它们共同产生了恒星的大部分能量和第一批重元素。

Definition

氢燃烧是四个氢核聚变为一个氦核的过程，为主序星提供能量；氦燃烧是演化星中氦核随后聚变为碳和氧的过程。

Scope

本主题涵盖了在低质量恒星中占主导地位的质子-质子链反应和在高质量恒星中占主导地位的碳氮氧循环所进行的氢燃烧，这些反应的温度敏感性，以及通过三重α过程和产生氧的α俘获所进行的氦燃烧。

Core questions

• 恒星如何将氢聚变为氦？
• 为什么质子-质子链在某些恒星中占主导地位，而碳氮氧循环在另一些恒星中占主导地位？
• 三个氦核如何结合成碳？
• 为什么氢燃烧和氦燃烧对温度如此敏感？

Key concepts

• 质子-质子链
• 碳氮氧循环
• 三重α过程
• 霍伊尔态
• 量子隧穿
• 伽莫夫峰
• α俘获

Key theories

氢燃烧：质子-质子链和碳氮氧循环

恒星通过质子-质子链（其中质子逐步直接聚变）或碳氮氧循环（其中碳、氮和氧充当催化剂）将氢转化为氦；碳氮氧循环对温度更为敏感，并在更热、质量更大的恒星中占主导地位。

通过三重α过程进行的氦燃烧

在较高温度下，三个氦核通过短寿命的铍-8中间体和霍伊尔预言的碳共振激发态聚变为碳-12；进一步的α俘获产生氧，从而确定了宇宙中的碳氧比。

Mechanisms

带电原子核之间存在静电排斥力，因此聚变只能在恒星核心的高温下通过量子隧穿效应进行，这使得反应速率对温度高度敏感。氢燃烧缓慢地形成氦核；一旦该核心达到约一亿开尔文，三重α反应就会将氦点燃成碳和氧。

Clinical relevance

这些反应决定了主序星和巨星的能量输出、结构和寿命，固定了温暖地球的太阳光度，并产生了构成宇宙其余化学成分的氦、碳和氧；太阳质子-质子链也是用于检验恒星模型的中微子来源。

History

贝特（Bethe）和魏茨泽克（von Weizsacker）在1930年代后期提出了质子-质子链和碳氮氧循环，确定了氢燃烧是恒星的能量来源；1950年代，萨尔彼得（Salpeter）和霍伊尔（Hoyle）建立了三重α过程，霍伊尔预言的碳共振态后来在实验室中得到证实。

Key figures

• Hans Bethe
• Carl Friedrich von Weizsacker
• Fred Hoyle
• Edwin Salpeter

Seminal works

• bethe1939
• clayton1983

Frequently asked questions

为什么太阳不会一次性将其所有氢都聚变掉？

聚变速率对温度高度依赖且具有自我调节性：如果核心温度升高，它会膨胀并冷却，从而减缓聚变，因此太阳在数十亿年间稳定燃烧其氢，而不是发生失控反应。

什么是霍伊尔态？

它是碳-12原子核的一个特定激发能级，弗雷德·霍伊尔（Fred Hoyle）预言了它的存在，因为否则三重α过程无法产生足够的碳；后来实验发现证实了氦燃烧如何在恒星中产生碳。