慢中子俘获过程
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聚变能把元素一路建到铁,却在那里卡住——银、钡、铅这类更重的原子,无法靠简单地把原子核熔在一起来制造,因为越过铁之后,聚变要耗费能量而非释放能量。那么大自然是怎么造出它们的呢?两大答案之一便是慢中子俘获过程:一条耐心的、一步一步的装配线,原子核先俘获一颗游离的中子,再来一颗,又一颗,缓慢地沿着越来越重的元素阶梯往上爬。这个“s”取自“slow(慢)”,而慢,正是关键所在。
诀窍在这里。自由中子不带电,所以它能漂进原子核,而不必和那股阻挡带电粒子的排斥力较劲。当原子核抓住一颗中子,它就变重;若这个新核不稳定,它最终会发生放射性衰变,把一颗中子变成一颗质子,把这个原子往上推到下一个元素。在慢中子俘获过程中,中子到来得如此之慢——也许几年到几千年才来一颗——任何不稳定的核在下一颗中子到来之前,都有充裕的时间去衰变。于是这一过程沿着核素图上一条稳定的、走熟了的路径蹑足而行。它主要发生在AGB恒星温和而翻腾的内部。
宇宙中比铁重的元素,约有一半要归功于慢中子俘获过程——地球上和恒星里发现的锶、钡、铅以及其他重原子,大半如此。天文学家甚至能亲眼看到它在运作:锝这种元素没有任何稳定形态,几百万年就衰变殆尽,却在AGB恒星的大气中被探测到,证明它是在那里新近才造出来的。它的搭档是快中子俘获过程(r过程),在远为剧烈的条件下造出其余那一半;两者合在一起,造就了最重的元素。
钡星是一类奇异地富含钡及其他慢中子俘获元素的红巨星——但它们并非自己制造的。它们曾有一颗AGB伴星,那颗伴星造出这些元素、洒到它们身上,如今已黯淡成一颗白矮星,给它的伙伴留下了终生的化学印记。
慢中子俘获过程一次一颗慢中子,造出比铁重的元素中约一半。
慢中子俘获过程靠中子俘获、而非聚变来造重元素——而且它无法造出最重、最富中子的核(如金和铀);那些需要剧烈的快中子俘获过程。这两条途径造出的元素既不同又有重叠。