恒星版的2048科学吗?

里面每一步反应都是真实发生的么?
Ne20不是稳定同位素么为什么会衰变……?

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3个答案
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曹小喵回来了科幻迷,天文爱好者,地质学研究生

2014-04-24 21:51

先上一个游戏中元素合成的流程图:

恒星内部发生的真实的核反应过程并不全是这样的。
游戏中省略了很多,比如Ne20的“衰变过程”实际上是“光裂变反应”的一部分,即在高能伽马射线的轰击下Ne20核分裂形成O16和一个He4。【但是游戏重要是加入伽马射线那就麻烦死了……H和D还不够难受么?!】
实际上 其中大部分反应是发生在主序星阶段过去之后的。而恒星的绝大多数时间都是在安静的燃烧着H,也就是主序星阶段。
主序星阶段主要有两套反应,一套是质子-质子反应,质子与质子直接合成D、He3及He4.具体的流程我做了个图:

这个反应实际上较为复杂。合成He3的过程基本上是一致的,但是合成He4的过程则多种多样。
合成He3的过程实际上就是游戏的最开始的几步。
于是就有了刚进入游戏时暴发出的感叹:“D开头的为啥不能和D开头的合成?!!”(——@Racoon
实际上就是不能合成~~因为D和H更容易合成He3而不是D和D直接合成He4。
当然,游戏省略了正电子和中微子~不过算了不管他们了。正电子随后就会和随处可见的电子发生湮灭,形成γ射线。
两个H合成D,然后D再合成He3的过程并非只有这一种。实际上,在合成D核的过程中还有另一种反应:pep反应。两个H和一个电子生成一个D和一个中微子(1.44MeV ) ,这种反应在太阳上十分罕见。不过如果忽略轻子的话实际上和上面的反应是一样的。
.He3合成完毕后,接下来的核反应会出现4个不同的分支。pp1分支是所需能量最低的,两个H3就会合成一个He4(也就是标准的氦原子核)和两个H。于是一个不科学的场景出现了:这时候游戏中最多也就出现一个H……pp1分支主要发生在1000万至1400万K的温度,如果温度低于1000万K,那么He4是无法形成的
随后pp2分支也可以进行了:He3和He4会合成一个Be7。其实Be7的半衰期相对来说比较长:53.22(6)天,Be7会俘获一个电子后衰变生成Li7以及一个中微子。Li7随后与H结合,最终生成两个He4。pp2分支主要发生在1400万至2300万K的温度
如果温度更高,那么pp3过程也可以发生。同样是Be7,此时不经过电子俘获过程,而是直接和H结合形成不稳定的B8(注意这货不是铍8而是硼8,它的半衰期也很短,只有770(3)毫秒),很快B8衰变成为Be8,随后衰变成为两个He4。pp3链反应发生在2300万K以上的温度
实际上还有一种更加高能的过程:pp4。虽然预测上有这种反应,但因为极为罕见(在太阳中只占3×10^-7的量),因此从未曾在太阳中被观测到。在此种反应中,He3直接和质子作用成为He4。
如何区分这几种反应呢?实际上主要是靠反应中产生的中微子的能量。
在pp2过程中,90%的中微子带有0.861MeV的能量,剩余的10%带有0.383 MeV 的能量。
在pp3过程中,产生中微子能量是非常高的(高达14.06 MeV)。当然这些中微子的比例并不大。
而pp4 可以产生能量更高的中微子,但是目前似乎尚未检测到如此高的太阳中微子 (高达18.8 MeV)。
在太阳中,pp1最为频繁,占了86%,pp2占14%,pp3只有0.11%,而pp4分支则极为罕见。
————————以上是质子-质子反应的内容————————
实际上,另外一种由H合成He4的反应在质量更大的恒星中更为普遍,那就是碳氮氧循环。在这个反应中,C、N和O只是作为催化剂存在。

这个圆转过一圈,就会有4个H产生一个He4。放出的能量还是不变的。
四个H在不同的阶段参与反应,其中N13和O15是放射性元素,半衰期实际上是很短的。其中N13的半衰期是9.965(4) 分钟,O15的半衰期是122.24(16) 秒。
不过游戏中显然是没有这个过程的。不怪人家,这个过程是在是很难用2048这种游戏来表现出来。
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主序星阶段将会维持很长一段时间,随着主序的结束。恒星核心收缩,增温,开始更高级的核反应。
大质量的恒星会依次经历氦燃烧、碳燃烧、氧燃烧以及硅燃烧等阶段。同时高能的光子还会将重元素打碎,这就是光裂变过程。而游戏中主要的过程就是这些 。仔细对比就会发现游戏中仅仅是主要过程而已 。这其中Na、Al等元素的行程太过复杂。

其中Be8实际上是相当不稳定的,会在极短的时间内发生衰变(2.6×10-16秒) ,但是在恒星内部由于He4的含量很高,可以使得Be8与He4的结合得以实现。虽然Ti44、Cr48及Fe52 也是不稳定元素,但是他们三个的半衰期显然要长得多,Cr44的半衰期为63年,Cr48为21.56(3) 小时,Fe52为8.275(8) 小时,而整个硅燃烧则以极快的速度进行,一般只有1天左右。所以这几种元素的衰变过程除了Fe52之外并不显著 (实际上Fe52也并不显著)……
这一部分游戏中表现的还是很合理的,当然也很简单,没有分支反应~但实际上恒星真的发生这些反应需要几十亿K的高温。
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总体来说游戏还是比较科学的,有些会消失的元素表现的也很不错,不同的元素甚至给与了不同的消失时间~在玩的同时也学习了知识~
当然,恒星内部的核反应是十分复杂的,这个回答中也只是列出了一些主要的反应,完全的反应在这里不可能一一列出。
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三张核反应的图的大图链接在这里:
质子质子反应:http://ww4.sinaimg.cn/large/7bc65f3dtw1efstmnxowbj20xs0rxn1l.jpg
碳氮氧循环:http://ww3.sinaimg.cn/large/7bc65f3dtw1efrsniuvikj20op0k7q53.jpg
主序后反应:http://ww2.sinaimg.cn/large/7bc65f3dtw1efrsnkld8nj21792c4k41.jpg


参考资料:
维基百科——原子核物理学 部分
http://zh.wikipedia.org/wiki/%E5%8E%9F%E5%AD%90%E6%A0%B8%E7%89%A9%E7%90%86%E5%AD%A6
苏宜.《天文学新概论》..武汉:华中科技大学出版社,2005

33 0

LePtC物理学博士生

2014-04-23 19:02

20Ne的确是稳定的~

另外 7Be 不存在 α 衰变而是 100% β 衰变成 7Li 。
8Be 倒是对的, 100% α 衰变。
52Fe 不存在 α 衰变而是 100% β 衰变成 52Mn,56Ni 100% β 衰变成 56Co ...

聚变的那些都还好,只要各种数是守恒的,你硬是拿 α 粒子轰,总能出来一些你要的分支 ...

关于核素的数据都可以在Nuclear data很方便地查到~

P.S. 我能理解这个作者,全做成真实的话 ,逻辑判断很复杂,代码不好写...
做个广告,之前我这个2048 Physics到现在还写不出来,求会 javascript 的大神帮忙啊T_T

31 0

Topp天文研究生,摄影爱好者

2014-04-25 13:30


我就随手截个图,楼主让把所有反应都写出来实在太丧心病狂了……
来自李炎老师恒星结构与演化讲义,据说是要出版成书的。

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