一口气搞懂太阳的聚变过程，原来核物理如此简单

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。

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。

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

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。

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？

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。

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。

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!

这些质子可以通过量子隧穿效应无视库仑力的存在进入双质子态，其中一小部分双质子会衰变为氘，一旦生成氘，就可以顺利进入下一步。与双质子相比，氘是一个有利的能量状态，更容易进行下一步:氦-3!

将两个质子结合起来形成氘释放出的总能量约为2Mev，约为初始质子质量的0.1%。但是如果你在氘中再加入一个质子，就能得到氦-3，变成一个更稳定的原子核，其中包括两个质子和一个中子，并释放5.5Mev的能量，而且这个反应进行得更快更自然更顺畅。

虽然核心中的两个质子需要数十亿年的时间才能融合成氘，但氘一旦形成，只需一秒钟就能与质子融合成氦-3!

还有一种可能就是两个氘核融合在一起，但这种情况非常非常罕见，所以可以肯定地说，100%的氘与一个质子融合成氦-3。

我们通常说太阳中的聚变是“氢融合为氦”，一言代之。但实际上，这个聚变的过程是非常持久的一个过程，涉及多个氢原子进入，一个氦原子产生！在氦-3形成之后，有四种方式可以形成氦-4，氦-4是太阳核心获取能量最有利的状态。

氦-3到氦4的四个种方式

第一种方式也是最常见的方式，是让两个氦-3原子核融合在一起，产生一个氦-4原子核并吐出两个质子。在太阳中形成的所有氦-4原子核中，约86%是由这条路径形成的。这个反应在1400万开尔文以下占主导地位，顺便说一下，太阳比宇宙中95%的恒星更热，质量更大。

换句话说，这是宇宙恒星中形成氦-4最常见的路径:两个质子在量子力学的作用下产生一个双质子，双质子偶尔衰变成氘，氘与一个质子融合生成氦-3，然后在大约一百万年后，两个氦-3原子核融合生成氦-4，在这个过程中吐出两个质子。

但在更高的能量和温度下（包括太阳核心最深处的1%）另一种反应占据主导地位。

第二种方式，在高能量下，氦-3可以与一个已经存在的氦-4合并，生成铍-7。本来铍-7会找到一个质子生成硼-8;然而，由于它不稳定，还没来得及反应，首先衰变为锂-7。在我们的太阳中，通常先发生衰变，然后再加上一个质子，产生铍-8，铍-8立即衰变为两个氦-4核，这个过程生成的氦-4大约占太阳氦-4总量的14%。

第三种方式，但在质量更大的恒星中（例如：O、B级恒星），质子与铍-7的聚变发生在衰变为锂之前，生成硼-8，硼-8首先衰变为铍-8，然后衰变为两个氦-4原子核。这个过程在类太阳恒星中并不重要——只占氦-4总量的0.1%，但在巨大的O类和B类恒星中，这是产生氦-4最重要的聚变反应。

另外，作为补充说明一下第四种方式，氦-3理论上可以直接与质子融合，直接产生氦-4和正电子(以及中微子)。虽然氦-4在我们的太阳中非常罕见，以这种方式产生的氦-4核还不足百万分之一，但这个过程可能在质量最大的o型星中占据主导地位!

总结

综上所述，太阳中的绝大多数的核反应，每一个反应中最终产物是:

• 两个质子融合在一起产生氘(约占40%)，
• 氘和质子聚变，产生氦-3(约40%)，
• 氦-3原子核聚变产生氦-4(约17%)
• 氦-3和氦-4聚变生成铍-7，铍-7与质子聚变生成两个氦-4原子核(约3%)。

所以，你会惊讶地发现，在我们太阳的所有核反应中，氢聚变生成氦的比例不到一半，而自由中子在任何时候都不会参与其中!所以作为一个爱好科学的，以后可不能直接说一句氢聚变就完事了！不专业！

这就是太阳能量来源的核物理原理，以及在此过程中发生的反应!