慢中子俘獲過程
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聚變能把元素一路建到鐵,卻在那裡卡住——銀、鋇、鉛這類更重的原子,無法靠簡單地把原子核熔在一起來製造,因為越過鐵之後,聚變要耗費能量而非釋放能量。那麼大自然是怎麼造出它們的呢?兩大答案之一便是慢中子俘獲過程:一條耐心的、一步一步的裝配線,原子核先俘獲一顆游離的中子,再來一顆,又一顆,緩慢地沿著越來越重的元素階梯往上爬。這個「s」取自「slow(慢)」,而慢,正是關鍵所在。
訣竅在這裡。自由中子不帶電,所以它能漂進原子核,而不必和那股阻擋帶電粒子的排斥力較勁。當原子核抓住一顆中子,它就變重;若這個新核不穩定,它最終會發生放射性衰變,把一顆中子變成一顆質子,把這個原子往上推到下一個元素。在慢中子俘獲過程中,中子到來得如此之慢——也許幾年到幾千年才來一顆——任何不穩定的核在下一顆中子到來之前,都有充裕的時間去衰變。於是這一過程沿著核素圖上一條穩定的、走熟了的路徑躡足而行。它主要發生在AGB恒星溫和而翻騰的內部。
宇宙中比鐵重的元素,約有一半要歸功於慢中子俘獲過程——地球上和恒星裡發現的鍶、鋇、鉛以及其他重原子,大半如此。天文學家甚至能親眼看到它在運作:鎝這種元素沒有任何穩定形態,幾百萬年就衰變殆盡,卻在AGB恒星的大氣中被探測到,證明它是在那裡新近才造出來的。它的搭檔是快中子俘獲過程(r過程),在遠為劇烈的條件下造出其餘那一半;兩者合在一起,造就了最重的元素。
鋇星是一類奇異地富含鋇及其他慢中子俘獲元素的紅巨星——但它們並非自己製造的。它們曾有一顆AGB伴星,那顆伴星造出這些元素、灑到它們身上,如今已黯淡成一顆白矮星,給它的夥伴留下了終生的化學印記。
慢中子俘獲過程一次一顆慢中子,造出比鐵重的元素中約一半。
慢中子俘獲過程靠中子俘獲、而非聚變來造重元素——而且它無法造出最重、最富中子的核(如金和鈾);那些需要劇烈的快中子俘獲過程。這兩條途徑造出的元素既不同又有重疊。