恒星——天上的核电站

我们还不能准确知道，补偿恒星辐射的能源是否就是核反应。虽然现在还没有发现其他产能率更高的能源，但这并不能排除还有其他能源存在的可能性。也许未来的物理知识能够帮助我们找到至今还不知道的某种产能机制，即找到像某些科学幻想小说家所预言的能源？

在上一章中我们已经看到，星团的某些性质支持这样的假设，即在恒星内有核能产生。在本章以及以下章节内我们将肯定这个假设的正确。因此我们不需要再去寻找新的至今还不知道的能源。核物理学家最近已清楚地向天文学家解释了恒星辐射的原因。但是在本世纪 20 年代的初期，物理学家还不相信在恒星内部会发生核反应！这和原子的结构有关系。

原子的组成部分

世界上所有的物质——岩石或矿物，空气或大海，动植物的细胞，以及宇宙中的气体星云和恒星——最终都是由 92 种化学元素所组成。这个在

19 世纪业已获得的知识使我们对物质的认识大大简化了。到本世纪，我们又可以指出，92 种化学元素最终是由三种类型的基本物质所组成，它们是：质子，中子和电子。例如氦原子和碳原子的不同之处只不过是它们是由不同数目的三种基本物质所组成的（图 3-1）。

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氦原子核是由两个质子和两个中子所组成。质子是带正电的粒子，因此氦原子核是带正电的。围绕着氦原子核有两个带负电的轻粒子，两个电子，它们形成了氦原子的电子壳层。碳元素的结构较为复杂一些。它的原子核也是由质子和中子所组成。它的质子是 6 个，中子也是 6 个。但是在

外部的电子壳层中还有 6 个电子围绕着原子核运动。这里最简单的原子是氢原子。它的核由一个质子组成，有一个电子围绕这个质子在不停地运动。

质子和中子的质量大致相同。虽然和我们习惯的重量相比较，它们的重量是无法称出来的，但人们叫它们为重粒子。假如可以把一万亿个这样的重粒子放到一个天平上去称，那么它们的总重量大约是一克的一万亿分之一。电子的质量大约是质子质量的两千分之一。质子带的是正电，电子带的是负电，当质子和电子在一起时，它们正好呈电中性。有时还会出现一种粒子，它的质量和电子的质量相同，但它是带正电的。这种粒子就是正电子，不过正电子的生命很短。当它飞过电子的近旁时，就会和电子立即合并。电子和正电子湮没时会发射出一个光子。

所有的原子核都是由一定数目的质子和中子所组成。通常原子核中有多少个质子，它的外部就有多少个电子在围绕着它运动。从而使原子核中

质子所带正电荷正好被电子所带的负电荷所中和。实际上人们还可以更简单地认为，物质世界不是由三种基本物质即质子、中子和电子所组成，而是由两种基本物质组成。由于在原子核内质子可以和电子聚合成中子，而在原子核外一个中子可以经过大约 17 分钟以后衰变为一个质子和一个电子。因此可以认为，物质世界实质上是由质子和电子所组成。原子核中的质子数与中子数之和称为原子核的质量数。而原子核的质子数称为原子序数。氢的质量数是 1，原子序数也是 1。氦的质量数是 4，原子序数是 2。常见的铁原子质量数是 56，原子序数是 26。围绕原子核运动的电子数必须和原子序数相同，才能使原子整体呈电中性。电子壳层决定了元素的化学性质。所以原子序数不同的元素，它们的电子壳层不同，因而化学性质也不同。原子序数相同而中子数不同的原子，它们的质量数不同，但化学性质相同。人们称它们为同一元素的同位素，例如除了正常的氢以外，还有氢的同位素——重氢。重氢的原子核是由一个质子和一个中子组成。氢的这个同位素称为氘，在自然界中仅存在极少量的氘。

一块铁和气球中的氢气虽然区别很大，但它们都是由质子和电子组 成。假如人们取 56 个氢原子，并把它们的 56 个质子和 56 个电子进行某种

组合，即将其中的 30 个电子和 30 个质子组合成 30 个中子，然后再将这些

中子和其余的 26 个质子组合成原子核，并且让剩余的 26 个电子围绕着这个核运动，那么人们就由氢创造出一个铁原子。

如果取 4 个氢原子，将其中的 2 个电子和 2 个质子组合成 2 个中子， 然后再将它们和剩余的两个质子组合成原子核，于是就可以创造出质量数为 4、原子序数为 2 的原子核，使得两个剩余的电子围绕着这个核运动。这样人们就可以把氢聚合成为氦。在这个过程中将有能量释放出来，但是原子核之间并不是那么容易发生聚变的。

阿瑟·爱丁顿与恒星的能源

1926 年剑桥大学著名的“普卢姆(Plume)”天文学教授，阿瑟·爱丁顿(ArthurEddington)爵士出版了他的《恒星内部结构》一书。这在当时是一部关于恒星内部物理科学的卓越著作。爱丁顿本人曾对此领域有过重大的贡献。那时已经发展了一个关于恒星内部的理论，不过这个理论还缺少了一部分关键内容，即能量是如何产生的。

那时人们已经知道，氢含量很丰富的恒星物质必定是理想的产能原 料。人们也知道，当氢转变为氦时将会有能量释放出来，而且释放出的能量可以维持太阳和恒星的向外辐射达数十亿年以上。因此很清楚，假如能够知道氢在什么情况下可以发生聚变，人们就等于找到了一个巨大的能 源。然而在当时，人们距离通过实验将氢聚变为氦还相当远。

当时的天体物理学家除了相信恒星是巨大的核电站以外，别无其他选

择。因为他们想象不出还有其他的过程可以释放出这么多能量，以补偿太阳的辐射达数十亿年。爱丁顿最彻底地阐明了这一点。当他提到观测天文学家所进行的大量的和重复的恒星亮度观测时，写道：“测量核能的释放是大量天文观测内容之一。如果在我的书中不是所有都错误的话，那么我们已经相当清楚地知道，恒星物质必须在多大密度和多高温度下，才能发生这样的过程。”遗憾的是，当时的物理学家却认为，在恒星内部原子核是不可能发生反应的。

当时爱丁顿已经能估计出太阳内部的温度。太阳通过重力把它的物质聚集在一起，重力将物质拉向中心。然而太阳物质并没有简单地落到太阳中心去，这是因为太阳的气体具有一定的压强。气体压力的作用和重力相反，它将物质向外推出。这两个力互相平衡。同样的现象也存在于地球大气中。假定没有重力，空气就会被本身的压力吹到空间中去。相反，如果没有空气压力，大气层就会落到地球表面上来。人们可以计算出吸引太阳物质的重力的大小，而和重力处于平衡的气体压力必须和它相等。气体压力和它的密度、温度有关。人们知道太阳物质的密度，因为太阳的质量和它的体积是已知的，太阳物质的压力有多大？这将取决于它的温度。气体的温度越高，压力就越大。在太阳内部气体的温度到底达到多高才能使重力和压力维持平衡？

爱丁顿估计恒星中心区域的温度达到 4000 万度。这个值对于我们来说好像很高，然而核物理学家却认为，要想发生核反应，这个值是太低了。在这样的温度下太阳内部的原子以每秒 1000 公里的速度运动。氢原子早已失去了电子，它们的质子可以在空中自由飞行。偶尔会发生两个质子相遇， 但它们带的都是正电，又互相排斥。当质子以每秒 1000 公里的速度运动时，两个质子虽然可以运动到很靠近，但是在达到能使它们发生聚变的距离之前，就会被电荷排斥力推开。为了使氢原子变成氦核，还必须使 4 个

质子和两个电子，即 6 个粒子同时在一个地方相遇——这个可能性很小！

即使 6 个粒子都同时飞到一起，但电荷力会使它们的运动轨道偏转而阻止聚变的发生。只有当温度达到几百亿度，使粒子以极快的速度飞行，这时虽然有电荷力的作用，但也能发生聚变。当时，物理学家们认为，太阳内部的温度只有 4000 万度，要想使氢聚变为氦这个温度是太低了。但是爱丁顿却坚信，恒星的能源只能是核能。他依然写道：“我们不和那个认为恒星内部的温度过低，从而不能发生这种过程的批评者进行争论。我们只是告诉他，走吧，去找个温度高的地方吧。”实际上，他认为物理学家所预言的氢变为氦的先决条件是不准确的。他更相信恒星已具备条件并认为， 物理学家应该去认识，在 4000 万度这样相对比较低的温度下，氢怎样才能变成氦。他的意见是正确的。

乔治·伽莫夫和他的“隧道效应”

当爱丁顿在他的书中坚持认为恒星内部会发生氢聚变为氦的时候，几乎在这同时物理界也受到了巨大的冲击。这个冲击来自巴黎的路易·德布罗意(Louis de Brogli)，哥本哈根的尼尔斯·玻尔(Niels Bohr)，苏黎世

Born)的量子力学学派。当时正是 20 年代的哥廷根的黄金时代。从全世界到那里去的很多的年轻物理学家后来都成为著名的科学家，例如维尔纳·海森堡(Werner Heisenberg)，罗伯特·奥本海默(RobertOppenheimer)，保罗·狄拉克(Paul Dirac)和爱德华·忒勒(Edward Teller)。其中还有一位年轻的俄罗斯人乔治·伽莫夫(George Gamow)，他是专门研究放射性问题的，也就是原子核的自然衰变问题。

有些化学元素会自身发生衰变。铀会衰变成钍，钍又衰变成镭，镭还会继续衰变。最常见的镭原子核是由 88 个质子和 138 个中子组成。经过一定时间后，一个镭核会自然放出两个中子和两个质子，从而变成一个质量较小的原子核。而放出来的粒子又组合成一个氦核。人们很难理解，一个镭核怎么会放出一个氦核来。镭核内的粒子受到一个强大的核力约束而拥挤在一个很小的空间内。核力比质子间的电荷排斥力强大得多。如果没有核力的作用，镭核就会被质子间的排斥力撕开而四处飞散。但是核力的作用距离很短。假如一个核的一部分和其余的部分分离开了，于是电荷排斥力就会变成主要的，并使这两部分分开。按照经典物理的观点，这是不可能的，因为核力把原子核约束在一起。然而这种现象在自然界却是存在的。

伽莫夫解决了原子的衰变问题。镭核内的粒子受到核力的约束而不能分裂，这一点虽然是正确的，但是现代的量子力学却告诉我们，这种分裂仍有可能发生。尽管经典物理认为这是不允许的，但是核的一部分会在偶然间冲破强大的核力作用，并离开其余部分使电荷排斥力起主要作用，并在它的作用下将这两个裂变产物分别推开。虽然发生这种过程的几率非常小，但还是有可能发生。至于镭原子人们需要等待 1000 年以上，它才会分离出一个氦核。

人们称这种现象为隧道效应。它只有通过量子力学才能被人们所了 解。这个名称来源于一个很形象的图像。镭核中的粒子被核力所束缚，就好像有一座环形山从外部将它们包围住一样。粒子的能量没有达到使它们可以越过这座山而跑到外边去。按照经典力学的说法，这座山粒子是无法通过的。但是按照量子力学来讲，粒子还有可能通过，即核内的粒子在偶然间可以不从山的上面越过去，而是从穿过山的一条隧道中通过去。伽莫夫认为，假如粒子能够由内向外穿过环形墙，那么粒子也应该能够由外向内穿过它而进入原子核内。

恒星内部的隧道效应

现在我们回到恒星的问题上来，并回顾在 20 年代关于恒星能源问题的进展情况。如果镭核能够发生本来不可能发生的变化，为什么在太阳内部质子就不可以发生被物理学家认为不应该的变化呢？核力本应约束住镭核内的粒子，使它们不能分开而达到电荷排斥力起作用的距离。即镭核本来是不可能发生衰变的，但是它仍然会衰变。在太阳内质子本来不应发生聚变，是不是也会发生聚变呢？

物理学家罗伯特·阿特金森(Robert Atkinson)和弗里茨·豪特曼斯(Fritz Houtermans)根据伽莫夫的隧道效应解开了恒星内部能量产生之谜。1929 年 3 月他们给德国《物理学报》编辑部投寄了一篇文章，题目是

《关于恒星内部元素结构的可能性问题》。在这篇文章的开头写到：“不久前伽莫夫指出，带正电荷的粒子的能量按照经典的概念还不能够使它们穿透到原子核内，但是它们还是穿透到原子核内了⋯⋯”。作者是这样解释的，氢核本来根据经典物理学要在几百亿度的温度下才能发生聚变，但它们是怎样在远比这个温度低得多的恒星内部也能够靠近到非常近的距离的呢？在恒星内一个质子和其他质子之间因受电场力作用而分开，就好像被一座山分开一样。质子的能量本来不可能越过这座山，但是也许经过很长时间，它就能够穿过这座山，好像是穿过一条隧道而到达山的那边。这种效应发生的几率虽然非常小，但它在太阳以及其他恒星内部确实能够发生足够多的次数，使得太阳和恒星可以依靠在这些过程中所释放出的能量而生存。阿特金森和豪特曼斯证实了爱丁顿的推测，即太阳和恒星是依靠氢聚变为氦来实现它们的能量需求的。他们的工作给热核反应理论奠定了基础，这个理论也就是在恒星内产生能量过程的理论，太阳和恒星的能源已经找到了。

当罗伯特·容克(Robert Jungk)为撰写《比一千个太阳还要亮》一书而收集资料时，豪特曼斯当时曾向他讲述过：“一天黄昏，当我们完成了我们的文章以后，我和一位漂亮的姑娘去散步。天空暗下来，星星一个接一个地出现了，非常壮观。我的女伴叫起来：‘星星一闪一闪的多美呀！’ 我有点自鸣得意地说到：‘从昨天起我就知道它们为什么会发光’。她似乎没有任何反应。是真的相信我吗？我猜想在当时这对她是无关紧要的事情”。

1965 年当我到哥廷根大学工作时，我曾想到要了解一下这位女士是否还在哥廷根，但这件事也像其他一些计划一样一直没有办成。7 年后我在雅典碰到了她。我是去那里参加一个会议。当时已经移居到美国印第安那州布卢明顿城的阿特金森也来参加这个会议。阿特金森的妻子，一位活跃的柏林女士，她就是当初的那位姑娘。她向我说，豪特曼斯的确向她讲过

这一段话，但绝不像容克在他的书中所描写的那么浪漫。我从她那里知道了许多重要的情况。我问阿特金森先生，他们当时怎么会想到做这项工作的。他说，他读了爱丁顿的书，从而知道了关于恒星能源的困境，即恒星内部的温度没有达到发生核聚变所要求的温度，而另一方面爱丁顿却坚

信，太阳和恒星的辐射功率必定来源于核能。他把这件事告诉过豪特曼斯。当时，时机已经成熟，恰好伽莫夫刚刚写完了他的那篇文章，证明问题是可以解决的。他们二人终于解决了这个问题。

从此人们知道在恒星内部是可以发生核反应的。但是发生的是哪种核反应？是质子与质子聚合，还是质子穿入到其他原子核内？如果是后者， 穿入到哪个原子核内？10 年以后人们才得到了关于这些问题的答案。

碳循环

在恒星内氢是怎样变成氦的？答案首先由美国的汉斯·贝特(HansBethe)和德国的卡尔·弗里德里希·冯·魏茨泽克(Carl Friedrich von

应。这个反应确实能补偿恒星的能量消耗①。

这个过程比较复杂，假设在恒星内部除了氢以外还有其他元素存在， 例如还有碳。碳核起着化学中已知的催化剂的作用。氢核依附到这些催化剂的核上，经过一些反应步骤以后会生成氦核。由氢原子聚合成的氦原子最后被分离出来，而碳核不会遭受任何损失。

由图 3-2 可以看出，这是一个循环过程。我们先看图的上部分。一个质量数为 12 的碳核（我们把它用 C12 来表示）与一个氢核相碰撞。由于隧道效应，氢核可以克服碳核的电场排斥力而与碳核发生聚变。新产生的核是由 13 个重粒子组成。由于有带正电荷的质子进入，使得原来碳核的电荷

数增加，即原子序数变大。新生成的核是质量数为 13 的一种氮元素的核。它是放射性核，经过一定时间它可以放出两个轻粒子，即一个正电子和一个中微子（中微子以后还要讲到）。氮核衰变成了质量数为 13 的碳核， 它的标记为 C13。现在这个核的电荷数仍旧和开始时的碳核的电荷数相同， 只不过质量数变大了。它是开始时的碳核的一种同位素。如果有一个其他的质子和这个碳的同位素相碰，就会再次产生氮。它的质量数为 14，标记为 N14。如果新的氮核又和一个质子相碰撞，就会反应变成 O15，即质量数为 15 的氧核。这种氧核同样是放射性核，它会放出一个正电子和一个中微子，并衰变成质量数为 15 的氮核，即 N15。我们考虑一下，在这个过程开

① 解决这个问题的时机显然已经成熟。1938 年 7 月 11 日德国《物理学报》收到了冯·魏茨泽克的文章。9 月 7 日《物理学评论》编辑部收到了贝特的手稿。而在这以前 6 月 23 日就已收到贝特和克里奇菲尔德(Critchfield)的手稿。手稿中已经叙述了将在下一节内讨论的质子-质子链的主要部分。

始的时候只有一个质子数为 12 的碳核，而现在变成了一个质量数为 15 的氮核。由此可以看出，由于氢核不断地积聚，使原子变得越来越重。假如这时又有一个质子和这个氮核相碰撞，氮核会放出两个质子和两个中子， 并变成一个原始的碳核 C12，而放出的质子和中子又合并形成一个氦核。这样结束了整个循环。

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在这个循环过程中总共 4 个质子被吞食了，并生成了 1 个氦核，即氢变成了氦。同时在这个过程中释放出的能量足以维持恒星辐射数十亿年。恒星物质被这个循环的各个分过程所加热。一部分是通过反应中产生的光量子将能量转移给恒星的气体物质，一部分是正电子迅速地和周围飞过的电子发生湮没，而由此产生的光量子又使恒星物质得到附加的热量。中微子也携带了部分的能量。关于中微子的特殊情况，我们将在第五章中介绍。

根据 1938 年贝特和冯·魏茨泽克所发现的碳循环，贝特获得了 1967 年的诺贝尔物理学奖。诺贝尔委员会当时似乎没有很好调查就做出了决定，因此忘记了将这个奖金分开。

我们知道，这个循环要求有催化元素——碳和氮，但并不是需要所有三种元素都同时存在，只需要这个循环中的一种同位素存在就可以了。假如某一个反应首先发生了，于是以下的反应所需要的催化剂就同时会产生出来。此外在整个循环过程中，各个反应会自动地调节，使催化元素的数量之间有一定的比例存在。这个比例又与循环过程的温度有关。今天天体物理学家可以借助于光谱测量对宇宙物质进行很好的定量分析。根据同位素 C12，C13，N14 和 N15 的数量比人们不仅可以确定，在恒星内部物质是否已经参与过碳循环的氢聚变，而且还可以确定，聚变的温度是多少。氢不仅可以通过碳循环聚变为氦，还有一个比较简单的过程更为重要——至少对于太阳是如此。这个过程是同时被发现的。

质子-质子链

从上一节中我们了解到碳循环要求必须有一定数量的碳或氮存在。并且这些元素的原子是不会在循环中被消耗掉的。它们在一定程度上起着保护壳的作用，使氢原子在里面经过一段时间变成氦原子。 1938 年汉斯·贝特和查理斯·克里奇菲尔德指出，氢的聚变也可以在没有碳或氮的条件下发生。

图 3-3 说明了这个过程。两个质子相碰撞并发生聚变。它们放出一个正电子和一个中微子。余下的核只是由一个质子和一个中子组成。这个核的电荷数和氢的电荷数相同，但比氢重一倍。它就是重氢，即氘。如果氢核又和一个氘核相碰撞，就会聚合成一个由两个质子和一个中子组成的氦原子。这个氦还不是“真正的”氦，而是氦的同位素 He3。它的原子序数

和氦的相同，但质量数却比氦的小。假若有两个按上述方式产生的 He3 核相碰撞，就会聚合成为一个“真正的”氦核，并同时放出两个氢核。在这个链中总共是 4 个氢核聚合成 1 个氦核。

恒星内部的过程究竟是这两种过程中的哪一种呢？是质子-质子链还是碳循环？

当温度足够高时，这两种过程都会在恒星内部出现。温度为 1000 万度时，主要是质子-质子链。如果温度显著增高，则能量的产生主要来自碳循环。

对于第一代在宇宙中形成的恒星，很可能是质子-质子链在起着特别重要的作用。今天人们已经相信，在宇宙诞生的时候，即在所谓“大爆炸” 时，宇宙中只形成了氢和氦。因此在第一代形成的恒星中缺少作为碳循环所需的催化元素①。第一代恒星必须靠质子-质子链方式的氢聚变而生存。仅在此以后，当恒星内部的氦形成碳时，才为以后各代的恒星提供了碳循环所需要的催化元素。

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重元素的诞生

如果在一个恒星内所有的氢都转变为氦，那么恒星内部将会是什么样呢？现在在美国科内纳大学任教的埃德温·萨尔彼得（Edwin Salpeter） 解释了氦是怎样才能够转变成碳的。他指出实际上只要有 3 个氦核就足够

了，如果将它们进行聚合，就可以生成一个质量数为 12 的碳核。但是要想

使 3 个氦核同时相碰撞，这是很不可能的，如果这个转变过程分成两步进行那么可能性就要大得多。如图 3－4 所示，两个氦核碰撞形成一个质量数为 8 的铍原子。这种铍是高度放射性元素，生成的铍核只能存在一个难以想象的极短时间内。经过千万分之几的十亿分之一秒以后，它又衰变成两个原来的氦核。如果铍核在它短暂的生命时间里又和第三个氦核相碰撞， 则会生成正常稳定的碳。铍核几乎总是很快衰变掉。只有个别的铍核由于和近傍飞过的氦核相碰，而免遭衰变的命运。尽管当恒星物质处于 1 亿度高温下，发生这种转化还是相当多的。在发生转化时释放出的能量还可以为恒星供热。

接下去又会是怎样的呢？当温度继续升高一些时就会发生碳原子聚 合，并且又以完全不同的方式衰变成一些元素，如镁、钠、氖和氧。氧原

子又可以聚合生成硫和磷。如此下去不断形成更重的原子核。人们可以问， 是不是所有的化学元素最终都是在恒星内部由氢和氦聚合成的。这个问题将在第 11 章再来讨论。

① 关于形成第一代恒星的物质的历史，可参阅史蒂文·温伯格(StevenWeinberg)撰写的《最初的三分钟》。

这里我们只要知道，恒星内部是可以进行核反应的。并且在恒星内部条件下将氢聚变为氦，能在很长的时间内补偿恒星向外的巨大辐射。

但是恒星内部的条件究竟怎样？没有人能够看见恒星的内部，并且从那里也没有直接的信息可以反馈给我们。我们又怎么会知道那里的准确温度呢？为什么我们能够对恒星内部了解得比地球内部还要透彻呢？这个问题将在下章里介绍。并且还要讲讲现代的计算机在这方面所起的重要作 用。

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