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核反应在天体演化中扮演两方面重要的角色[1]:释放能量以抵消重力的吸引和核反应导致元素的合成[2]。早在30年代,就已经提出了由四质子合成4He的假设,但现代核合成理论的根基是由Burbidge等人[3]在一篇被称为B2FH的文章中奠定的。作者提出了不同的机制来解释重核的合成:three-α过程,H和4He的燃烧,以及s,r,和p过程。
在B2FH中遇到的最大的问题就是对核反应率了解甚少。众所周知,一方面由于相关核天体能量反应的能量很低,甚至低于库仑势垒,因此,带电核子的反应截面非常小,常常在实验上是很难甚至不可能测到的。另一方面,由于许多反应包含了寿命很短的核子,而在实验上想要得到密度很大的束流是很困难的,因此,从理论上对此类的反应截面以及反应率进行预言变得非常重要。
本论文主要系统地介绍了低能条件下与天体核物理和γ相关的轻核核反应的研究。主要内容包括:低能核天体相关反应的实验和理论方法;用唯象方法对3He的光裂变反应进行了研究;用平均场的方法对不稳定轻核俘获反应的研究,以及利用Potential Model对反应截面(S-factor)进行参数化等。
我们首先对核反应3He(γ,p)2H的反应截面进行了唯象研究,利用三维拟合的方法,对该反应从9 MeV到150 MeV的微分反应截面进行拟合,得到的结果能够对该反应此能量范围内的全角度的反应截面给与很好地描述。由于γ光子的单色性不一,实验数据差别很大,尤其是在光子的能量为20 MeV附近。我们利用T.Shima等人二零零三年在日本Spring-8上利用康普顿背散射产生的γ光进行的实验总截面的数据对其他实验数据进行了归一化,从而能得到更为合理的结果,并且对蒙特卡罗模拟以及以后设计新的实验有很好地意义。
为了进一步从更微观的层面研究,我们首先利用相对论平均场模型(RMF)对A=7-9的不稳定核子进行了研究。通过选取适合的参数,我们利用RMF理论很好地描述了上述核子的结构特性。然后,利用计算所得的单粒子波函数,并且结合Asymptotic normalization coefficients(ANC)方法,我们得到了反应7Be(p,γ)8B的反应截面S-factor的值。我们的值和间接实验库仑分离得到的结果一致,而和直接俘获的实验值有一定的差别。这说明,两种实验结果的差别还需要进一步的研究。另外,我们的结果也印证了核8B具有质子晕结构。
对于实验数据的参数化问题,通常给俘获反应的低能S-factor或者(截面)Taylor展开的二阶参数化形式。一般来说,Taylor展开的系数都是拟合得到,不可避免地引入误差。我们利用Potential Model直接计算展开系数的方法,对相关中子俘获反应的Taylor展开系数进行了研究。并且对不同的参数化形式Pade近似进行了讨论。