在恒星氦燃烧的起始阶段(恒星内部核心温度T～0.2×109K),3α→12C+γ反应过程起决定作用。当生成的12C达到相当的丰度后12C(α,γ)16O将控制燃烧过程。3α反应和12C(α,γ)16O反应相互竞争,两者的反应速率(反应截面或S因子与反应核素速率分布的卷积)共同决定了氦燃烧结束后12C与16O的丰度比,该比值是大质量恒星后继演化以及伴随的元素核合成过程的初始条件。这些过程对12C(α,γ)16O反应在恒星环境中的温度为0.2×109K(即T9=0.2,对应的质心系能量Ec.m.=0.3 MeV)处的反应速率极为敏感。目前,T9=0.2处3α反应的截面及其反应率的不确定度降低到12%,天体物理模型要求相应的12C(α,γ)16O反应率的精确度要低于10%,然而尚未有实验或理论给出满足要求的结果。William A.Fowler在1983年诺贝尔物理学奖报告中说到:人类身体的90%是由12C和16O组成的,我们了解其中的化学和生物过程,然而我们确不清楚形成12C和16O元素的天体核过程。并将12C(α,γ)16O反应天体热核反应速率称为核天体物理学的“圣杯(holy grail)”。在Ec.m.=0.3 MeV处,12C(α,γ)16O的俘获总截面估计在10-17 b上下,且反应机制复杂,及库仑位垒的影响直接测量如此小的截面极为困难。目前最为直接和可靠地获取12C(α,γ)16O反应速率的方法,就是尽可能往低能区测量其天体物理S因子,然后通过理论外推到所感兴趣的能区。为了弄清楚16O核对于这一反应天体物理S因子的具体作用,四十多年的实验研究积累了大量的相关实验数据,包括精确测量12C(α,γ)16O的总的S因子,基态辐射俘获的γ角分布及其导出的电偶极跃迁S因子SE10和电四极跃迁部分SE20,经16O核子四个束缚态的级联跃迁反应截面,16N核的β-延迟α粒子衰变谱,转移反应12C(6Li,d)16O或12C(7Li,t)16O的微分反应截面,12C(α,α)12C的弹性散射截面,以及更高能区开放的12C(α,α1)12C和12C(α,p)15N反应道数据。目前实验直接测量的12C(α,γ)16O反应最低能量是质心系891keV,测量误差在50%以上。不同外推模型给出的天体物理S因子Stot(0.3 MeV)彼此间相互矛盾,相应的不确定度是天体物理模型要求值的2倍以上。R-矩阵理论是上面这些16O核系统实验数据拟合及其外推最为有效的分析手段之一,也是本文最为主要的研究内容。首先,我们基于经典的R-矩阵理论,建立了用于低能核反应的多道、多个能级的约化R-矩阵理论,用于拟合上述的几乎所有的16O系统的实验数据。不同于已有的采用L表象处理12C(α,γ)16O俘获反应道的R-矩阵模型,我们的理论采用道自旋耦合表象,拟合表明该表象下的积分和微分反应截面公式,可以分别精确地描述12C(α,γ)16O反应天体物理S因子和基态俘获的角分布实验数据。这也是理论上首次采用R-矩阵理论来拟合12C(α,γ)16O反应的微分数据,其分析所确定的分波贡献及导出数据SE10和SE20,要比已有工作采用勒让德多项式的拟合结果更为合理。配合使用协方差统计和误差传播理论,通过迭代拟合上述有关16O系统的所有可用的实验数据,拟合外推得到了客观的、内部自恰的和唯一性好的12C(α,γ)16O反应天体物理S因子。总的外推S因子为,Stot(0.3 MeV)=162.7±7.3 keV b,这是理论中首次给出达到恒星演化与元素核合成模型的误差要求的S因子。其次,基于约化R-矩阵分析给出的全能区的S因子,我们计算给出了温度位于0.04≤T9≤10区间的12C(α,γ)16O反应天体物理反应率。在最为关注的T9=0.2处,推荐的反应率为(7.83±0.35)×1015cm3mol-1s-1,相对误差为4.5%。以此反应率,我们分别研究了其对25M恒星演化中等质量核素(A=16-40)和弱中子俘获过程(weak s-process)产生的核素的影响,给出了我们推荐的12C(α,γ)16O反应率所限定的相应核素的产额。该反应率的获得将有助于科学家理解上至铁区的中等质量核素的合成、铁区以后重元素经s、r和p等过程核合成的反应机制,以及大质量恒星随后的演化进程(白矮星的冷却、超新星爆发的光变曲线、中子星和大质量的X射线黑洞双星的形成)等。