α碳是什么(α碳原子上的氢原子称为)

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宇宙中几乎所有的氧气都是在像太阳这样的大质量恒星中形成的。随着这些恒星收缩和燃烧，它们将在核心内部引发热核反应，碳和氦的原子核会发生碰撞和融合。这种罕见但重要的核反应产生了宇宙中的大部分氧气。

然而，很难确定这种产氧反应的速率。麻省理工学院(MIT)物理学教授理查德·米尔纳(Richard Milner)说:“物理学家的职责是了解世界，但目前我们并不知道宇宙中的氧气到底来自哪里，也不知道氧气和碳是如何形成的。"

如果物理学家能够足够好地估计所谓的“辐射俘获反应速率”，那么一些基本问题就可以得到解答，比如宇宙中碳氧比。另外，精确的速率可以帮助我们确定爆炸的恒星会形成黑洞还是中子星。

现在，米尔纳和他的同事们提出了一个实验设计，可以确定这种产氧反应的速率。这种实验方法需要使用“多兆瓦”的线性粒子加速器，该加速器位于世界上的几个地方，目前仍在建设中。一旦启动并运行，这些加速器可能会提供恰到好处的条件来逆转氧生成反应，就像逆转恒星形成的时钟一样。

这种“逆反应”应该可以使研究人员对恒星中实际发生的反应速率有一个很好的估计，其准确性可以高于以前的研究结果。米尔纳说，“如果我们是对的，那么这个测量将帮助我们回答一些与核物理中元素起源相关的重要问题。”

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辐射俘获反应率是指恒星内部发生的碳-12核与氦核(又称α粒子)之间的反应。当这两个原子核发生碰撞时，碳原子核会“俘获”α粒子，在这个过程中，它会被激发，以光子的形式辐射能量。从而留下一个氧-16原子核，最终衰变为可以稳定存在于我们大气中的氧。

但在恒星中，这种反应自然发生的几率很小，因为α粒子和C -12原子核都带正电。当它们紧密接触时，库仑力自然会互相排斥。要融合形成氧气，两个粒子必须以足够高的能量碰撞，以克服库仑力的障碍，这是一种罕见的现象。这样低的反应速率，在恒星内部的能级上是检测不到的。

在过去的50年里，科学家们一直在试图模拟高能粒子加速器中的辐射俘获反应速率。为了达到这个目的，他们将氦和碳的粒子束进行碰撞，希望氦和碳的原子核融合，从而产生氧气。他们测量了这些反应并计算了相应的反应速率。但在加速器中，粒子碰撞的能量远高于恒星中的能量，所以根据目前对产氧反应速率的估算，很难推断恒星中究竟发生了什么。

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在这项新的研究中，麻省理工学院的物理学家决定重新获得以前的一个概念，以创建产氧反应的逆反应。本质上，它从氧开始，然后将其原子核分裂成其起始成分:一个阿尔法粒子和一个碳12原子核。研究人员得出结论，逆反应的概率应该大于正反应的概率，因此更容易测量。逆反应可以在接近恒星实际能量的范围内进行。

要分裂氧气，需要超高电子浓度的高强度电子束。当电子束击中氧原子云时，电子越多，数十亿个电子中有一个电子可以与氧原子碰撞，其能量和动量恰好导致氧原子分裂的概率就越大。

这个想法源于麻省理工学院的另一位研究员Genya Tsentalovich在2000年的一次尝试。后来，米尔纳等人认为这是一个值得深入研究的想法，于是重拾了这个想法。德国和康奈尔大学正在建造的新一代直线加速器能够产生足够高强度的电子束，或电流，这可能会引起不良反应。所以这个新的研究是从2016年开始的。

米尔纳说:“这些具有几十毫安电流的新型高强度电子设备的出现，引起了我们对这种(逆反应)假设的兴趣。”

他们提出，在实验中，通过向低温超冷的氧原子云发射电子束，可以产生逆反应。如果一个电子能够成功地与一个氧原子碰撞，并使氧原子分裂，那么它就会以一定的能量分散，这是之前物理学家预言的。研究人员将在给定的能量范围内分离包含电子的碰撞，并从这些碰撞中分离随后产生的阿尔法粒子。

当氧-16原子分裂时，产生α粒子。氧的其他同位素分裂也会产生α粒子，但这些粒子的弥散速度会比氧-16原子分裂产生的α粒子快10纳秒左右。因此，研究人员得出结论，他们将分离出那些速度略慢、“飞行时间略短”的α粒子。

然后，研究人员可以计算出逆反应的速率，因为α粒子分裂很慢，氧-16原子分裂相对较慢。然后，他们建立了一个模型，将恒星中自然产生的氧气的正负反应联系起来。

米尔纳说:“我们实际上做的是逆转时间的反应。如果可以用我们所说的准确度来测量，那么反应速率应该是直接提取出来的，比这个范围内任何人所做的测量都要精确20倍。”

如果德国正在建造的多兆瓦直线加速器MESA已经建成并投入运行，物理学家就可以将他们的实验设计付诸实践，通过实验确定恒星为宇宙产生氧气的速率。因此，这些测量将使物理学家能够回答恒星中有多少碳和氧形成的问题，这是我们理解恒星演化的最大不确定性。

原始链接:

http://news.mit.edu/2019/experiment-oxygen-universe-0820

来源:原则

编辑:广达元