科学|同样是核聚变，为什么太阳能燃烧100亿年，而氢弹一下就炸了？
话说地球的能量主要来自于太阳辐射 ， 太阳每时每刻都在向太空辐射巨大的能量 。 如果把这些能量比喻成钱的话 ， 太阳每秒向太空抛洒22万亿的钱 ， 地球能捡到的钱大概有一万块 ， 而最终被人类所使用大概也就是1块 。 那太阳这么多能量是咋来的呢？
本文插图
太阳源源不断的能量来自于它内核的核聚变反应 ， 这其实和氢弹的原理是类似的 。 可是你发现没有？同样都是依靠核聚变反应 ， 氢弹一下子炸得渣都不剩 ， 而太阳到如今已经燃烧了接近50亿年 ， 而且它还会这样继续燃烧几十亿年 ， 那这到底是为什么呢？
本文插图
氢弹的原理
首先 ， 我们先来聊一聊氢弹的核聚变 。 要了解氢弹的核聚变 ， 我们就得先搞清楚什么是核聚变 。 这里的“核”指的是原子核 。 核反应实际上分为核聚变和核裂变 。 从字面意义上 ， 我们其实也能知道 ， 核聚变就是几个原子序数小的原子核发生融合 ， 而核裂变实际上就是原子序数大的原子核分裂成原子序数小的原子核 。
在这个过程中 ， 反应前后会有质量的损失 ， 这部分质量会以能量的形式释放出来 ， 整个过程满足爱因斯坦的质能方程E=mc^2 。
本文插图
其中c是光速3*10^8m/s 。 通过方程 ， 我们很容易就发现 ， 即便是损失很少的一部分质量 ， 也可以释放出巨大的能量 。 原子弹利用的就是核裂变 ， 一般用元素铀作为原料 。
而核聚变是氢弹的原理 ， 一般用的是氢及氢的同位素 。 氢弹一般来说用到的是氘和氚 ， 整个过程是：氘+氚→氦+中子+能量（1.76×10^7eV） 。
本文插图
要使整个反应得以进行并不容易 ， 这需要极其高的反应条件 ， 对于温度的要求至少是上亿度 。 因此 ， 为了能够达到整个反应温度 ， 氢弹实际上并不“纯粹” ， 而是有核裂变和核聚变两部分构成 。
本文插图
科学家利用的办法是先引发核裂变反应 ， 通过核裂变产生X-射线来压缩并加热次级的核聚变燃料 ， 以此来促使核聚变反应 。
本文插图
而我们要知道的是 ， 太阳的内核温度大概是1500万度 ， 这和上亿度还有很大的差距 ， 照理说是不能引发核聚变反应的 ， 那为什么太阳内核还能发生核聚变反应呢？
本文插图
太阳核聚变的原理
太阳能够产生核聚变反应的最重要原因是：质量足够大 。 在46亿年前 ， 在如今太阳系的位置附近有一片长达2光年的分子云 ， 这片分子云发生了引力坍缩 ， 在引力的作用下逐渐形成了太阳 ， 剩余的碎料构成了太阳系的其他天体 。
本文插图
太阳是太阳系的绝对主宰 ， 质量占据了整个太阳系总质量的99.86% 。 由于太阳质量十分巨大 ， 因此 ， 太阳自身的引力特别大 ， 这就会挤压自身 ， 使得自身的温度急剧升高 ， 太阳内部是呈现等离子状态 。
本文插图
所谓等离子是指构成物质的原子中的电子获得足够大的能量 ， 摆脱了原子核的束缚 ， 这时物质不再是常见的气、液、固三态 ， 而是像“粒子粥”一样 ， 各种原子核 ， 光子 ， 电子到处乱逛 。
本文插图
由于太阳自身的73%是由氢原子构成的 ， 太阳内部又是呈现等离子态的 。 因此 ， 太阳内部有73%的自由氢原子核（质子） 。 太阳内核的核聚变反应其实就是质子之间的融合 ， 但是质子是带正电的 ， 同种电荷相排斥 ， 质子之间存在着静电斥力 。 只有克服静电斥力 ， 才能够使得质子之间发生核融合 。 那反应为什么还会发生呢？
首先 ， 当两个质子相互靠近时 ， 会有极其低的概率在弱力的作用下 ， 使得一个质子转变为一个中子 ， 然后质子和中子结合就可以得到一个氘核 。
本文插图
这里多说一句 ， 按照目前的主要理论 ， 我们知道宇宙中存在着四个基本作用力 ， 分别是强力、弱力、电磁力和引力 。 其中弱力和强力是作用在原子核层面的 ， 而在日常生活中 ， 除了引力之外 ， 其他的力本质上都是电磁力 ， 比如：弹力 ， 支持力等等 。
本文插图
在四种力中 ， 引力是最弱的 ， 其次是弱力 ， 而强力则是最强的 。 弱力会改变粒子的种类 ， 衰变本质上就是弱力在作祟 。 而在太阳内核中 ， 弱力的作用可以使得质子转变为中子 。
【科学|同样是核聚变，为什么太阳能燃烧100亿年，而氢弹一下就炸了？】
本文插图
由于静电斥力的存在 ， 弱力又实在是太弱了 。 发生这个反应的概率极其低 ， 在太阳中的一个质子和其他质子相遇变成氘核的事件可能要每10亿年才能发生一次 ， 但如果能够引发这一步反应 ， 后来的反应也就很容易了 。 最终是4个质子通过核融合成为一个氦核 ， 同时释放出大量的能量 。 太阳内核主要进行的核聚变反应被我们称为：质子-质子反应 。
本文插图
弱力对太阳核聚变的影响
由于太阳质量超级大 ， 其中的质子数量极其庞大 。 即便是极其小的概率事件 ， 到了太阳这里 ， 也成了一个大概率事件 。 不过 ， 由于弱力实在太弱 ， 反应不能像氢弹那样快速进行 ， 而是很缓慢地燃烧着 。 那具体反应有多缓慢呢？
太阳内核的核聚变功率会随着与太阳中心距离的增大而逐渐地减少 ， 科学家通过模型计算就得出这样一个结论：太阳内核的核聚变功率密度大概是276.5 W/(m^3) 。 整个功率大概就是一个质量50千克的成年人单位消耗功率的十分之一 。 所以 ， 太阳能释放出如此巨大的能量不是因为反应有多么剧烈 ， 而主要还是因为太阳自身规模足够大 。
本文插图
如果弱力比现在大10% ， 那么太阳的寿命就会缩短大概20%；如果弱力还要再大一点 ， 可能还没有等到地球出现人类 ， 太阳就走向了衰亡 。 因此 ， 弱力弱到恰到好处的 ， 正好也给人类的出现埋下了很好的伏笔 。
本文插图
推荐阅读
- 地球|科学家发现证据，表明地球内部或存在大型海洋，这可能吗？
- 液态金属|脑科学日报：开发用于活体神经记录的可拉伸液态金属电极阵列
- 恐龙|恐龙也怕患癌症？新发现，科学家在恐龙化石中检测出恶性肿瘤痕迹
- 昆虫|近亿年前的虫珀里藏只“小怪兽”！中国科学家发现昆虫新物种
- 火星|火星的水资源没有流失！科学家苦寻多年，原来藏在火星地下
- 昆虫|恐龙时代“臭大姐”竟然长巨角？！我国科学家发现亿年前昆虫新物种
- 新冠病毒抗体|我国科学家刊发重要研究成果：新冠抗体产生后至少可持续9个月
- 疫苗|你还在犹豫要不要接种新冠疫苗？看看科学分析怎么说
- 疫苗|暗讽中国人？华裔记者造谣中国第5款疫苗，遭美科学家抨击
- 爱德温·哈勃|科学家怎么知道宇宙有多大？哈勃第一个探测到银河系外还有星系