早在上一世紀后期，人們就對元素及其同位素在自然界的豐度進(jìn)行了研究。從1883年到1924年，美國地質(zhì)調查局總化學(xué)師克拉克（Clarke，Frank Wigglesworth 1847～1931）在地殼厚度16千米的范圍內，廣泛地調查了地殼的化學(xué)組成，發(fā)表了地殼中化學(xué)元素的豐度調查結果。此后，又有人收集了大量的隕石、太陽(yáng)、其它恒星、星云的各種元素及同位素分布的資料。曾致力于研究同位素理論、特別對重氫研究做出重要貢獻的美國物理學(xué)家與化學(xué)家尤里（Urey，Harold Clayton 1893～1981）在 1956年，根據地球、隕石及太陽(yáng)的資料繪制出更為詳細、更為標準的元素豐度表，這一資料已成為元素合成理論的重要依據之一。從尤里的研究結果看出，元素及其同位素的分布是極其復雜又有一定規律的。這一規律一方面來(lái)自原子核結構的規律性，一方面又與元素的起源及演化史密切相關(guān)。任何有關(guān)元素起源與合成的假說(shuō)都必須首先能解釋這一分布的規律性。
早期提出的元素起源與合成假說(shuō)有平衡過(guò)程假說(shuō)、中子俘獲假說(shuō)與聚中子裂變理論，它們都試圖用單一過(guò)程解釋全部元素的成因，最后都因矛盾百出不能自圓其說(shuō)而失敗。較為成功的元素核合成假說(shuō)，是本世紀50年代提出的BBFH理論。BB代表伯比奇夫婦，伯比奇（Burbidge，Eleanor Margevet約 1925～）為英國女天文學(xué)家、格林威治天文臺第一任臺長(cháng)，長(cháng)期致力于類(lèi)星體和元素在恒星深處的核合成理論研究。1955年伯比奇的丈夫受聘到美國加州帕薩迪那附近的威爾遜山天文臺工作，伯比奇到加州理工學(xué)院任教。與伯比奇夫婦一起提出元素合成理論的還有美國核天體物理學(xué)家否勒（Fowler，William Al-frad 1911～）及英國天文學(xué)家霍伊爾（Hoyle，Sir Fred 1915～）。他們以尤里提出的元素豐度分布曲線(xiàn)為出發(fā)點(diǎn)，以核聚變理論為基礎，認為宇宙間全部元素并非由單一過(guò)程一次形成，而是通過(guò)恒星各個(gè)演化階段的相應八個(gè)過(guò)程逐次形成的。這八個(gè)過(guò)程是：①氫燃燒，在 T≥7×106K條件下，四個(gè)氫核聚變?yōu)楹ず说倪^(guò)程；②氦燃燒，即T≥108K條件下，氦核聚變?yōu)樘己撕脱鹾恕⒛屎说鹊倪^(guò)程；③α過(guò)程，α粒子與氖核反應，相繼生成鎂、硅、硫、氬等元素原子核；④e過(guò)程，元素豐度曲線(xiàn)上的鐵峰元素（釩、鉻、錳、鐵、鈷、鎳）等生成；⑤s慢中子俘獲過(guò)程；⑥γ快中子俘獲過(guò)程。這后兩個(gè)過(guò)程分別簡(jiǎn)稱(chēng)s過(guò)程和γ過(guò)程，通過(guò)它們生成比鐵重的元素；⑦生成低豐度的富質(zhì)子同位素的質(zhì)子p的俘獲過(guò)程，以及⑧生成低豐度輕元素（如氘、鋰、鈹、硼等）的X過(guò)程。BBFH理論發(fā)表以后，不斷得到核物理、天體物理以及宇宙化學(xué)等領(lǐng)域新成就的補充與修正，例如補充了碳燃燒、氧燃燒和硅燃燒等新過(guò)程，大爆炸宇宙學(xué)又為氦的豐度較大提出了進(jìn)一步的解釋。
近年來(lái)核天體物理學(xué)的一個(gè)研究熱點(diǎn)是恒星晚期，特別是新星爆發(fā)附近階段中較重元素的合成問(wèn)題。在這個(gè)階段，由于參與s過(guò)程的全部核素集中于β穩定谷附近，利用現有的核實(shí)驗裝置即可得到一些個(gè)別的核反應并測出其反應率，再計入所觀(guān)測到的天文環(huán)境，人們可以建立過(guò)程模型，力圖利用它擬合觀(guān)測到的元素豐度。1956年以來(lái)，核物理學(xué)曾預言存在有一個(gè)穩定的超重元素島。島中心的原子核是中子數和質(zhì)子數填滿(mǎn)閉殼的雙幻核（Z=114，N=184）。這個(gè)核非常穩定，其自發(fā)裂變的壽命估計可達1019年。在其附近的原子核對于自發(fā)裂變、β衰變也比較穩定。除了這個(gè)超重核的穩定島外，核物理學(xué)還預言存在另一些更重超重核的穩定區。理論預言，對于這些更重的超重核，由于庫侖勢能加大，發(fā)射α粒子的能量、裂變平均動(dòng)能以 及每次裂變釋放的中子數都將比常規核情況大得多。證實(shí)這些預言存在與否都將是對原子核理論的檢驗。目前，物理學(xué)家正試圖通過(guò)對γ過(guò)程的研究解開(kāi)這個(gè)謎。由于γ過(guò)程產(chǎn)生遠離β穩定線(xiàn)中子大量過(guò)剩的核，在實(shí)驗室條件下，難以測量其反應截面，因此常利用地下核爆炸進(jìn)行γ過(guò)程研究。到目前為止，在規模巨大的天體核反應研究方面，雖然在確定核反應截面的工作上取得一些成果，從而豐富了人們對于天體核反應規律的認識，但這種認識畢竟是很初步的，因為對于恒星晚期進(jìn)行的核反應，至今還不能在實(shí)驗室條件下研究，對于它們的拋射物化學(xué)成分還需要做進(jìn)一步的了解和解釋。本世紀90年代以來(lái)，人們正開(kāi)始采用超巨型計算機，進(jìn)一步啟用更新的核物理實(shí)驗裝置，將發(fā)射空間紅外望遠鏡以探測原始星系初始核合成，哈勃望遠鏡將收集關(guān)于恒星在可見(jiàn)光及紫外波段的更高分辨率的觀(guān)測資料，人們還將建造規模更為宏偉的同位旋實(shí)驗室，以期獲得目前難以得到的不穩定核。以上這些規劃與進(jìn)展不僅可以從實(shí)驗上和理論上探討核天體物理問(wèn)題，而且還能加深人們對宇宙演化的認識。 |
