元素的起源
元素的起源是研究各种元素的形成过程、条件和合成的场所，及其在宇宙中的丰度分布
量与规律。合理地解释核素丰度的特征是元素起源的理论的基础。早期提出的假说有：平衡
过程假说，中子捕获假说，中子裂变假说等。1957年E.M.Burbide 等提出了元素在恒星中合
成的假说（即B 2FH 理论），将元素起源与恒星演化紧密结合。现代元素起源理论综合了大
爆炸宇宙学理论和恒星演化中通过各种核聚变、核反应逐步合成的。宇宙大爆炸产生了两个
丰度最大的核素1H 和4He ，以及少量的2H 、3He 和7Li ，而大多数核素是在恒星内部的核
过程中产生的，核合成类型与恒星演化过程密切相关。
1·大爆炸宇宙的核合成过程
标准大爆炸宇宙学模型表明，宇宙刚诞生时密度近乎无穷大，温度＞1032K ，宇宙中没
有原子核，只存在基本粒子和反粒子，同时发生粒子物理反应。随着宇宙的不断膨胀，物质
密度减小，温度下降，当温度大约降到1012K 时（约在大爆炸后3分钟），有可能发生质子
(P)与中子(α) 的反应，生成氘（D ），核同时放出光子（γ），P ＋α→D ＋γ，其后
的反应序列为：
D ＋P →3He ＋γ
3He 十3He →4He ＋2P 十2γ
3He ＋4He →7Be ＋γ
一 7Be ＋e →7Li ＋μ
一 e 为电子，μ为中微子，标准大爆炸核合成模型很好的解释了原始的宇
宙丰度特征。
2·恒星内部的核合成．
大爆炸发生后，随着宇宙的继续膨胀，宇宙中的物质密度大于其辐射密度，此时，
辐射压力相对变低，允许在膨胀着的气体中形成永久性的大规模不均匀性，随后通过局部
的引力收缩形成了星系和星系内的天体，经典型恒星内部的核合成理论是1957年由
E.M.Buridge 等人提出的，它是现代元素起源理论的基础。70年代以后随着核结构和天体演
化理论的发展，恒星内部核合成理论得以逐步完善与健全。
恒星内部有以下一些主要核合成过程：
（1）氢燃烧
恒星内，当温度为106～107K ，物质密度为102g ／cm 3时产生由4个氢核聚变为一
个氦核的过程，氢燃烧有两个反应链：质子一质子循环和碳氢氧循环，该反应持续时间约
106～109年．
质子一质子循环发生在质量较小的主序星（如太阳）内部，它由下列3个分支反应
过程 完成。
＋ 1H 十1H →2D ＋e ＋υ
PP Ⅰ 2D 十1H →3He 十γ
3He 十3He →4He ＋21H 十γ
或
3He ＋4He →7Be ＋γ
一 PP Ⅱ 7Be ＋e →7Li 十υ
7Li 十1H →8Be*24He
或
7Be ＋1H →8B ＋γ
＋ PP Ⅲ 8B →8Be*+ e＋υ
8Be →24He
恒星内部温度＞2×107K 时，在质量较大的主序星内部，发生以C 、N 和O 为催化
剂的碳氮氧循环核过程，延续时间约108a 。
＋ 12C ＋H →13C ＋γ 13N →13C ＋e ＋μ
13C ＋H →14N ＋γ
＋ 14N ＋H →15O ＋γ 15O →15N 十e 十μ
15N ＋H →12C ＋4He ＋γ
15N ＋H →16O 十
16O ＋H →17F ＋γ 17F →17O ＋μ
17O ＋H →14N ＋4He ＋γ
（2）氦燃烧
恒星内部物质密度103～105g ／cm 3，温度为1.2X103～2X103K 时，三个氦核（粒
子）聚变成碳核，故也称为3α反应：34He →12C ＋γ，12C 进一步与4He 反应生成16O 、18O 、
19Ne 等，该反应约持续106～107a 。
（3）稳态核燃烧
该反应发生在稳定的恒星内部，包括碳、氧、硅和氖燃烧。当恒星核心内氦耗尽时，
进一步收缩，温度也随之升高。当恒星内部物质密度为105g ／cm 3, 温度为8.8X108K 时发生
碳燃烧；当密度为106g ／cm 3，温度为2.1X 109K 时发生氧燃烧。
随着温度升高至3×109K 时，28Si 和20Ne 发生光致分裂，导致核素之间重新组合，
生成铁峰区结合能最大的核素。以上的稳态核反应合成A=20～40的核素，但在解释观测到
的核素丰度时并不成功，表明还存在着其它核合成的贡献。
（4）爆炸核燃烧
稳态核燃烧是爆炸燃烧的预过程，提供爆炸的条件。在超新星等爆发时，几秒钟内温
度可达4×109～5×109K 以上，发生爆炸式核合成并向外抛出生成核素。爆炸核燃烧合成
的A=20～40的核素的量可根据具体情况（温度，密度，已有核素及核参数）进行推算，结
果表明其丰度特征与观察到的太阳系丰度相符合。
（5） 核统计平衡 (E）过程
当体系的温度和密度足够高时，无论是稳态，还是爆炸条件下，都会达到核统计平
衡，生成平均结构能量最大的铁峰元素（钒、铬、锰、铁、钴、镍等）恒星中系列的元素核
合成过程到此结束。
（6）S 过程
即慢的俘获中子过程。S 过程中子产生和俘获的时间尺度足够慢，约为104a ，因此两
次俘获之间有充裕的时间让生成核衰变，核合成反应通过稳定区区域内的核进行。S 过程以
铁峰元素为种子核，经逐级中子俘获，一直合成到质量数为209的许多核素。由于具有中子
满壳层50、82、126的核特别稳定，因此在丰度曲线图上质量数90、138和208处于产生3
个S 过程丰度峰。S 过程在A=210、211处由α衰变而截止。
自从1957年伯比奇（Burbide ）等人对S 过程的最初研究以来，很长时间一直认为太
阳系S 过程核素是在红巨星内部产生的，随着近年来对S 过程的深人研究，目前被广为接
受的核合成场所是；对90≤A ≤200的核素是在低质量的 ACB （ASymPtotio Ciant BranCh）
恒星中合成的；对A ≤90较轻的核素，是在氦燃烧的巨星（M ≥10Ma ）中合成的。S 过程
＋核合成的中子源是12C （P ，γ），13N （e ，γ），12C （α ，n ），16O 反应。影响S 过程核素丰
度的主要因素有脉冲平均中子剂量T 。中子密度N n 和温度T 。
（7）γ过程
γ过程中子俘获时间尺度很短，通常为0.01～10s ，以至可发生连续的中子俘获，且 生
成核可作连续β衰变，所以其合成路径将沿β稳定区富中子一侧的不稳定核进行。丰度曲线
在A=80、130、194处形成丰度峰。γ过程以铁峰为种子核产生许多富中子 的核素，质量数为209以后的核素全部由Y 过程合成。中子俘获链可到Cf 254甚至形成更重
的核素。
经典论认为：超新星的中央核可能为核合成适宜的天文物理场所，而目前较为流行的冲
击引发爆炸理论认为：恒星的氦区受超新星冲击波的加热提供了一个产生γ过程核素的适宜
场所。13C （α，n ）16O 反应为γ过程的核反应提供中子源，而13 C可能产生在前超新星中，
最有可能的场所为氦壳火焰区。影响γ过程重核产率的大小除与原始种核丰度密切相关外，
另外两个重要因素就是超新星爆发时的温度与密度。
（8）P 过程
最初P 过程的含义仅指快速俘获质子的反应，目前则主要指光致电离（γ，n ）、（γ，
P ）、（γ，α）反应。P 过程合成质量数A ≥74富质子的核素，且核素大部分含具偶数的质子
和中子数。P 过程产生的核素与同一元素的其它同位素相比较要少得多，通常R 和S 过程
产生的同位素是相邻P 过程产生的同位素的100至1000倍。
目前P 过程的核合成场所被认为是Ⅱ型超新星中已燃尽了氢，氦甚至还有碳的区域，
而不是Ⅱ型超新星的富氢层，S 和γ过程的种子核受温度高达2.1× 109～3.2X109K 的热光子
作用，在约1s 的时间内转变成与太阳系丰度相符的P 过程核素。影响P 过程核丰度的主要
因素是S 和γ过程种核的原始分布，以及超星爆发时的参数值（如温度，爆发时间尺度等）。
（9）X 过程
即宇宙线粒子的散裂反应。宇宙线高能粒子（P ，α等）轰击星际介质的核素（主要是
C ，N ，O ）生成较轻的6Li 、8Be 、10B 和11B 等核系，其核素丰度与太阳系丰度符合得很好。
元素的起源
元素的起源是研究各种元素的形成过程、条件和合成的场所，及其在宇宙中的丰度分布
量与规律。合理地解释核素丰度的特征是元素起源的理论的基础。早期提出的假说有：平衡
过程假说，中子捕获假说，中子裂变假说等。1957年E.M.Burbide 等提出了元素在恒星中合
成的假说（即B 2FH 理论），将元素起源与恒星演化紧密结合。现代元素起源理论综合了大
爆炸宇宙学理论和恒星演化中通过各种核聚变、核反应逐步合成的。宇宙大爆炸产生了两个
丰度最大的核素1H 和4He ，以及少量的2H 、3He 和7Li ，而大多数核素是在恒星内部的核
过程中产生的，核合成类型与恒星演化过程密切相关。
1·大爆炸宇宙的核合成过程
标准大爆炸宇宙学模型表明，宇宙刚诞生时密度近乎无穷大，温度＞1032K ，宇宙中没
有原子核，只存在基本粒子和反粒子，同时发生粒子物理反应。随着宇宙的不断膨胀，物质
密度减小，温度下降，当温度大约降到1012K 时（约在大爆炸后3分钟），有可能发生质子
(P)与中子(α) 的反应，生成氘（D ），核同时放出光子（γ），P ＋α→D ＋γ，其后
的反应序列为：
D ＋P →3He ＋γ
3He 十3He →4He ＋2P 十2γ
3He ＋4He →7Be ＋γ
一 7Be ＋e →7Li ＋μ
一 e 为电子，μ为中微子，标准大爆炸核合成模型很好的解释了原始的宇
宙丰度特征。
2·恒星内部的核合成．
大爆炸发生后，随着宇宙的继续膨胀，宇宙中的物质密度大于其辐射密度，此时，
辐射压力相对变低，允许在膨胀着的气体中形成永久性的大规模不均匀性，随后通过局部
的引力收缩形成了星系和星系内的天体，经典型恒星内部的核合成理论是1957年由
E.M.Buridge 等人提出的，它是现代元素起源理论的基础。70年代以后随着核结构和天体演
化理论的发展，恒星内部核合成理论得以逐步完善与健全。
恒星内部有以下一些主要核合成过程：
（1）氢燃烧
恒星内，当温度为106～107K ，物质密度为102g ／cm 3时产生由4个氢核聚变为一
个氦核的过程，氢燃烧有两个反应链：质子一质子循环和碳氢氧循环，该反应持续时间约
106～109年．
质子一质子循环发生在质量较小的主序星（如太阳）内部，它由下列3个分支反应
过程 完成。
＋ 1H 十1H →2D ＋e ＋υ
PP Ⅰ 2D 十1H →3He 十γ
3He 十3He →4He ＋21H 十γ
或
3He ＋4He →7Be ＋γ
一 PP Ⅱ 7Be ＋e →7Li 十υ
7Li 十1H →8Be*24He
或
7Be ＋1H →8B ＋γ
＋ PP Ⅲ 8B →8Be*+ e＋υ
8Be →24He
恒星内部温度＞2×107K 时，在质量较大的主序星内部，发生以C 、N 和O 为催化
剂的碳氮氧循环核过程，延续时间约108a 。
＋ 12C ＋H →13C ＋γ 13N →13C ＋e ＋μ
13C ＋H →14N ＋γ
＋ 14N ＋H →15O ＋γ 15O →15N 十e 十μ
15N ＋H →12C ＋4He ＋γ
15N ＋H →16O 十
16O ＋H →17F ＋γ 17F →17O ＋μ
17O ＋H →14N ＋4He ＋γ
（2）氦燃烧
恒星内部物质密度103～105g ／cm 3，温度为1.2X103～2X103K 时，三个氦核（粒
子）聚变成碳核，故也称为3α反应：34He →12C ＋γ，12C 进一步与4He 反应生成16O 、18O 、
19Ne 等，该反应约持续106～107a 。
（3）稳态核燃烧
该反应发生在稳定的恒星内部，包括碳、氧、硅和氖燃烧。当恒星核心内氦耗尽时，
进一步收缩，温度也随之升高。当恒星内部物质密度为105g ／cm 3, 温度为8.8X108K 时发生
碳燃烧；当密度为106g ／cm 3，温度为2.1X 109K 时发生氧燃烧。
随着温度升高至3×109K 时，28Si 和20Ne 发生光致分裂，导致核素之间重新组合，
生成铁峰区结合能最大的核素。以上的稳态核反应合成A=20～40的核素，但在解释观测到
的核素丰度时并不成功，表明还存在着其它核合成的贡献。
（4）爆炸核燃烧
稳态核燃烧是爆炸燃烧的预过程，提供爆炸的条件。在超新星等爆发时，几秒钟内温
度可达4×109～5×109K 以上，发生爆炸式核合成并向外抛出生成核素。爆炸核燃烧合成
的A=20～40的核素的量可根据具体情况（温度，密度，已有核素及核参数）进行推算，结
果表明其丰度特征与观察到的太阳系丰度相符合。
（5） 核统计平衡 (E）过程
当体系的温度和密度足够高时，无论是稳态，还是爆炸条件下，都会达到核统计平
衡，生成平均结构能量最大的铁峰元素（钒、铬、锰、铁、钴、镍等）恒星中系列的元素核
合成过程到此结束。
（6）S 过程
即慢的俘获中子过程。S 过程中子产生和俘获的时间尺度足够慢，约为104a ，因此两
次俘获之间有充裕的时间让生成核衰变，核合成反应通过稳定区区域内的核进行。S 过程以
铁峰元素为种子核，经逐级中子俘获，一直合成到质量数为209的许多核素。由于具有中子
满壳层50、82、126的核特别稳定，因此在丰度曲线图上质量数90、138和208处于产生3
个S 过程丰度峰。S 过程在A=210、211处由α衰变而截止。
自从1957年伯比奇（Burbide ）等人对S 过程的最初研究以来，很长时间一直认为太
阳系S 过程核素是在红巨星内部产生的，随着近年来对S 过程的深人研究，目前被广为接
受的核合成场所是；对90≤A ≤200的核素是在低质量的 ACB （ASymPtotio Ciant BranCh）
恒星中合成的；对A ≤90较轻的核素，是在氦燃烧的巨星（M ≥10Ma ）中合成的。S 过程
＋核合成的中子源是12C （P ，γ），13N （e ，γ），12C （α ，n ），16O 反应。影响S 过程核素丰
度的主要因素有脉冲平均中子剂量T 。中子密度N n 和温度T 。
（7）γ过程
γ过程中子俘获时间尺度很短，通常为0.01～10s ，以至可发生连续的中子俘获，且 生
成核可作连续β衰变，所以其合成路径将沿β稳定区富中子一侧的不稳定核进行。丰度曲线
在A=80、130、194处形成丰度峰。γ过程以铁峰为种子核产生许多富中子 的核素，质量数为209以后的核素全部由Y 过程合成。中子俘获链可到Cf 254甚至形成更重
的核素。
经典论认为：超新星的中央核可能为核合成适宜的天文物理场所，而目前较为流行的冲
击引发爆炸理论认为：恒星的氦区受超新星冲击波的加热提供了一个产生γ过程核素的适宜
场所。13C （α，n ）16O 反应为γ过程的核反应提供中子源，而13 C可能产生在前超新星中，
最有可能的场所为氦壳火焰区。影响γ过程重核产率的大小除与原始种核丰度密切相关外，
另外两个重要因素就是超新星爆发时的温度与密度。
（8）P 过程
最初P 过程的含义仅指快速俘获质子的反应，目前则主要指光致电离（γ，n ）、（γ，
P ）、（γ，α）反应。P 过程合成质量数A ≥74富质子的核素，且核素大部分含具偶数的质子
和中子数。P 过程产生的核素与同一元素的其它同位素相比较要少得多，通常R 和S 过程
产生的同位素是相邻P 过程产生的同位素的100至1000倍。
目前P 过程的核合成场所被认为是Ⅱ型超新星中已燃尽了氢，氦甚至还有碳的区域，
而不是Ⅱ型超新星的富氢层，S 和γ过程的种子核受温度高达2.1× 109～3.2X109K 的热光子
作用，在约1s 的时间内转变成与太阳系丰度相符的P 过程核素。影响P 过程核丰度的主要
因素是S 和γ过程种核的原始分布，以及超星爆发时的参数值（如温度，爆发时间尺度等）。
（9）X 过程
即宇宙线粒子的散裂反应。宇宙线高能粒子（P ，α等）轰击星际介质的核素（主要是
C ，N ，O ）生成较轻的6Li 、8Be 、10B 和11B 等核系，其核素丰度与太阳系丰度符合得很好。