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为什么太阳当中的核聚变会连续不断地进行下去,而没有瞬间崩完?

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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:

  1. 1. 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。
  2. 2.
  3. 3. 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。

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