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。
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