一口气搞懂太阳的聚变过程，原来核物理如此简单 _聚变

太阳是我们最熟悉得天体。它的质量是地球的30万倍，是太阳系中热、光和辐射的来源，我们平时总是说：太阳聚变的过程是氢聚变为氦！一句话简而代之。但是这样说略显不专业，中间省略了很关键的一些步骤，今天我们就来看下核物理下的恒星聚变。
太阳所释放的能量对我们人类来说就是天文数字。以下是一些关于太阳的事实:

太阳的功率为4×10^26瓦，相当于10万亿的大功率发电厂一次满负荷运转时所发出的能量。
太阳已经燃烧了45亿年，一直在以几乎恒定的速度释放能量。(在整个时间段内的变化低于20% 。)
释放的能量来自爱因斯坦著名的E=mc^2，即物质在太阳核心转化为能量。
核心的能量需要传播到太阳表面，这一过程需要穿过70万公里的等离子体。

最后一点非常惊人!由于光子很容易与电离的带电粒子发生碰撞，所以在太阳核心产生的光子要经过17万年才能到达表面。

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我们以前讨论过太阳为什么会发光，但是我们从来没有详细讨论过一个至关重要的步骤——太阳的质量是如何转化为能量的。从宏观的角度来看，就核物理而言这个过程很简单。

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除了绝对质量最大的恒星以外，核聚变在太阳中的运作方式是将普通的质子(氢原子核)熔合成氦-4(含有两个质子和两个中子的原子核)，并在此过程中释放能量。
这可能会让人有点困惑，因为我们记得中子比质子稍微重一点，这个过程怎么会损失质量呢？下图

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核聚变只有当产物的质量（氦-4原子核的质量），小于反应物的质量时才会释放能量。尽管氦-4是由两个质子和两个中子组成的，但这些原子核是结合在一起的，这意味着它们整体的质量比单个部分的质量要轻。

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事实上，氦-4不仅比两个质子和两个中子轻，它还比四个单独的质子轻!虽然质量相差没有那么多，只有0.7%，但只要量足够大，释放的能量将会迅速增加。例如，在我们的太阳中，大约每秒钟就有4×10^38个质子聚变成氦-4；这就是太阳损失质量输出能量的过程。
但是我们不能把四个质子变成氦-4；事实上，永远不会有两个以上的粒子同时发生碰撞。
那么，如何生成氦-4呢？

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大多数时候，当两个质子发生碰撞时，它们只是简单地碰撞，然后会相互反弹。但是在合适的条件下，有足够的温度和密度，它们可以融合在一起形成可能你从未听说过的氦的状态:由两个质子，没有中子组成的双质子组合。
双质子属于一种极其不稳定的结构，绝大多数时候，会衰变回两个质子。

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但每隔一段时间，少于0.01%双质子就会经历β+衰变，在衰变过程中会释放出正电子(电子的反粒子)、中微子，质子在衰变过程中会转化为中子。
如果只是观察初始反应物和最终产物，双质子的生命周期非常小，我们只会看到如下图的情况所示，两个质子结合后立刻会发生衰变，双质子存在的中间过程基本看不到。

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这时我们将得到氘（氢的一个重同位素），一个正电子（它会立即与一个电子湮灭，产生伽马射线），还有一个中微子，它会以接近光速的速度逃逸。
制造氘相当困难！事实上，即使在15000000 K的温度下(太阳核心温度)，质子的平均动能也只有13Kev 。这些能量分布属于泊松分布，这意味着，一个质子可能具有的最高动能约为170Mev 。这还不足以克服质子之间的库仑势垒。
但我们不需要完全克服库仑势垒，因为宇宙还有另一个方案:量子力学!