元素合成理论

元素合成理论（ theory of nucleosynthesis ），阐明宇宙中各种元素及其同位素丰度形成涉及的所有天体物理过程的科学。元素的丰度曲线是相当复杂而又有一定规律的。元素及其同位素的分布规律，一方面反映原子核结构的规律性，另一方面与元素的起源和演化史密切相关。关于元素的起源或合成的任何一种假说，都必须解释这一分布的规律性。

合成假说

早期提出的假说有平衡过程假说、中子俘获假说、聚中子裂变假说等。它们都试图用单一过程解释全部元素的成因，结果是顾此失彼、难以自圆其说。G.伽莫夫和他的同事R.阿尔弗于1948年提出的大爆炸之后宇宙中的核子逐步综合成较复杂原子核的理论，他发现阿尔弗和他本人的名字读音很像希腊语的第一个字母α和第三个字母γ。这样在发表这篇论文时，竟擅自添上了并未参与其事的著名物理学家H.A.贝特的名字，从而构成了希腊语头三个字母αβγ的谐音序列。后来把该假说称作α·β·γ理论。贝特则早已因为在原子核物理理论方面的成就以及参与研制原子弹而闻名于世。他曾于1938年提出，太阳的能量来自其内部氢聚变为氦的热核反应。为此，他荣获了1967年度的诺贝尔物理学奖。应该指出，许多天体上氦的丰富度相当大，按质量计算约为30％。恒星内部的核反应不可能产生这么多的氦。在这一点上，普遍采纳了大爆炸宇宙学的一项基本结论：宇宙曾经有一段从极高温到低温的演化史。宇宙早期的温度很高，因此生成氢和氦的效率也很高。今天遍及宇宙各处的氢和氦，早在宇宙的襁褓时代就已经形成。

B2FH理论

1957年，G.伯比奇夫妇、W.A.福勒、F.霍伊尔等人提出了元素在恒星中合成的假说，他们四人姓氏的第一个字母分别为B、B、F和H，因此称为B2FH理论。他们摒弃了全部元素都是通过单一过程一次形成的想法，提出了与恒星不同演化阶段相应的八个形成过程，认为所有的元素及其同位素都是由氢通过发生在恒星上的八个过程逐步合成的。元素合成后由恒星抛射到宇宙空间，形成所观测到的元素的丰度分布。

八个过程是：①氢燃烧。发生于温度T≥7×106K的条件下，由四个氢核聚变为氦核的过程。②氦燃烧。发生于T≥108K的条件下，由氦核聚变为碳核(12C和氧核(16O))等的过程。③α过程。α粒子与20Ne相继反应生成24Mg、28Si、32S、36Ar等的过程。④e过程，即所谓的平衡过程。发生在温度和密度都很高的条件下，元素丰度曲线上的铁峰元素（V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni等）通过这个过程生成。⑤s过程，即慢中子俘获过程。⑥r过程，即快中子俘获过程。比铁峰元素更重的元素可能通过r或s过程生成。⑦p过程，即质子俘获过程。一些低丰度的富质子同位素可能通过这个过程生成。⑧x过程。生成D、Li、Be、B等低丰度轻元素的过程。

B2FH理论发表后，不断得到原子核物理学、天体物理学和宇宙化学方面的新成就的补充和修正。元素合成实质是元素核燃烧，它分为两类：一是以恒星损失核能量为时标的流体静力学燃烧；二是激变事件的动力学爆发燃烧。

核合成的计算又分为按恒星演化处理、恒星演化加爆发能、爆发机制的细节3种类型。主要进展有：①提出了一些新的过程，如碳燃烧、氧燃烧和硅燃烧等。碳燃烧、氧燃烧和硅燃烧分别发生在T≥6×108K、T≥109K和T＞3×109K或4×109K的条件下。研究发现，爆发性碳燃烧可说明Ne到Si的观测丰度，爆发性氧燃烧可说明Si到Ca的观测丰度，准平衡的硅燃烧可说明铁峰元素的观测丰度。②在许多天体上，氦丰度相当大，按质量计约为30％，用恒星内部的核反应理论不能说明这个事实。大爆炸宇宙学认为宇宙曾经有过一段从热到冷的演化史。宇宙早期温度很高，生成氦的效率也高，从而造成氦的高丰度。③6Li、Be、B等轻元素的观测丰度，可用宇宙线粒子与星际空间的12C、14N、16O、20Ne等原子核碰撞而使后者碎裂来说明。