核物理 · 恒星演化

Stellar Fusion: Hydrogen to Iron

为什么恒星可以通过聚变释放能量，却在铁附近停下来？ 每个核子的平均结合能在铁附近最大。比铁轻的核聚变，是往这个峰顶爬，能放出能量；过了峰顶，聚变反而要吸收能量。恒星一级比一级烧得更热，烧到铁就到头了：铁再聚变只会吸收能量，撑不住星核。

一步步走过 pp 链、三氦过程、碳燃烧、氖燃烧、氧燃烧、硅燃烧和镍衰变。每一步都会显示需要的温度、主要产物和能量走向。

当前阶段氢燃烧

主要产物 ${}^4\mathrm{He}$

温度门槛 $\ge 1.5\times10^7\,\mathrm K$

能量结果释放

核心条件反应正在进行

物理教程

恒星核合成：为什么演化走向铁峰

背景每个核子的平均结合能随质量数先快速上升，在铁峰附近达到最大。轻核聚成结合更紧的核时，质量亏损以能量的形式放出来；越过铁峰再聚变，反而要输入能量。

为什么值得理解恒星有多亮、能活多久、内部怎样分层、最后变成什么，都由这条能量曲线决定。太阳只进行氢燃烧；大质量恒星却能一级级点燃温度更高、持续更短的燃烧阶段。

先抓重点

Q=(m_{\rm initial}-m_{\rm final})c^2

产物总质量变小时 $Q>0$ ，少掉的静质量变成粒子的动能、光子和中微子的能量。

V_C(r)\approx\frac{Z_1Z_2e^2}{4\pi\varepsilon_0r}

核电荷越大，经典排斥越强，碳、氧、硅燃烧需要的核心温度也一个比一个高。

容易误解恒星按元素周期表逐个合成所有元素。

正确理解真实过程是一张有许多分支的反应网络。图中只画出主导的燃烧阶段和代表性产物，省略了许多同位素和副反应。

容易误解硅燃烧就是两个硅核碰撞成铁核。

正确理解高温下，光致蜕变、俘获和核统计平衡先让镍-56 富集起来；镍-56 随后经放射性衰变走向铁-56。