核聚变
我们都知道,太阳的燃烧依靠的是太阳核心的核聚变反应,一般人一提到核聚变一般都会想到氢弹爆炸。然后,一下子全炸了。
可是,我们要知道的是,如果你单纯投一颗氢弹,那是炸不起来的,能量也不给力。不信?我们可以来看一看反应原理,核聚变的反应原理一般来说是D-T反应,就是下面这个方程式
D和T其实都是氢的同位素,反应会产生17.6MeV的能量。具体的过程就是这下面这样:
我们再来看看核裂变反应,也就是原子弹的原理,
看到没?核裂变其实要比核聚变反应生成的能量多得多,但为什么我们总觉得核聚变更猛呢?这是因为,氢比较轻。所以按照单位质量来算,核聚变效能更好一点罢了。不过这不是重点,重点是,核聚变反应需要超高的温度。具体要多少度呢?
这其实还和压强有关,在地球的一格标准大气压下,温度达到一亿度时,D和T的等离子体发生核聚变,才能保证爆炸后产生的能量大于爆炸所需的能量。
因此,一般来说,氢弹都不是纯粹的氢弹,而是氢弹-原子弹的结合体,分为二相弹和三相弹。
二相弹就是我们说的氢弹,爆炸之后还挺干净的,这里的干净指的是没有核污染。用的是核裂变来提高温度激发核聚变产生。
三相弹也被叫做氢铀弹,会经历核裂变-核聚变-核裂变,同时靠核裂变提供温度激发核聚变产生,只不过多了一步核裂变,这种三相弹的威力要比二相弹大的多得多(成倍数的),而且会造成非常严重的核污染。
目前来说,其实各国手里掌握更多的氢弹是三相弹,而不是二相弹。不过,无论是哪一种,其实都需要核裂变来提供温度。
所以,你看,其实氢弹的反应条件还是非常苛刻的。而太阳其实核心的温度只有1500万度,远远达不到一亿度的要求,不过好在太阳的压强特别大(这里指的是核心),达到了250万个大气压。但经过一些列的计算,你还是会发现,还是不太够。那为什么太阳还是会发生核聚变呢?
太阳核心燃烧的机理
这里就要提到一个“量子隧穿效应”,指的是:
微观粒子能够穿入或者穿越位势垒的量子行为,尽管位势垒的高度大于粒子的总能量。
太阳要燃烧其实依靠的就是量子隧穿效应。那具体体现在哪里呢?
这其实需要我们重新认识一下太阳内部的情况,太阳其实是一个等离子体。你可以简单理解成,这是一种一般三态不一样的状态。等离子体是由阳离子、中性粒子、自由电子等多种不同性质的粒子构成的。
而在太阳内部主要就是质子(氢核)和电子。而核聚变反应其实是需要质子剧变成氦-4核。这当中有两种路径,一种叫做质子-质子反应链,一种叫做碳氮氧循环。其实结果都是质子到氦-4的过程,因此,我们以质子-质子反应链为例。
质子和质子之间其实存在静电斥力(毕竟都是带正电的),但又要求质子和质子之间能够发生核聚变反应,所以其实量子隧穿效应是克服这个的问题。不过,即使存在量子隧穿效应,要克服两个质子之间的静电磁力也需要很大的能量,即使在太阳系中心,平均也需要10^10年才能完成。当然,由于太阳巨大无比(毕竟整个太阳系99.86%的质量都在太阳这里),所以这个反应能够进行下去,只不过会十分缓慢而已。这也是为什么太阳没有一下子全炸了的原因。
从宏观上看
刚才说到的其实是从微观上看,静电斥力的存在,使得反应进行的很慢。除此之外,其实太阳核心核聚变的剧烈程度是和温度、压强有关的。你可以想象一下,一旦核聚变被点燃,其实就会产生一个向外的压力,这时候,中心的压力就会减小,这就回放缓核反应。所以,引力和核聚变产生的向外压力是一对形成动态平衡的力。
这引力和对外压力的博弈,会使得太阳核心的压强和温度都发生变化。这也是保证太阳核反应能够循序渐进,而不是一下子全炸的原因之一。还要引力占据优势,温度和压强就会升高,产生的核反应就会剧烈,这时候对外的压力也会增强,反之亦然。
最后,我们来总结一下,太阳没有一下子全炸了,主要有三个原因:
氢弹是在1亿度下被点燃的,而太阳核心的温度只有1500万度,压强是大气压的250万倍,但这也不足以直接引爆太阳,所以两者是有区别的。质子和质子之间的静电斥力使得点燃太阳核心核反应的第一步很缓慢。太阳的引力和核聚变对外的斥力形成了动态平衡,所以,它们约束了太阳核心核聚变的剧烈程度。