深度科普：解读恒星核聚变的全过程，原来核物理如此简单！

对于我们而言，太阳是宇宙中最为亲近的天体。其质量是地球的三十万倍，是光和热的源泉，我们常常简略地说：“太阳上的核聚变，是氢原子合成氦原子的过程！”不过，这种说法略显粗糙，漏掉了一些关键的细节。

现在，让我们深入核物理领域，探究在恒星内部发生的核聚变过程。

太阳为我们所提供的能量，对人类而言无疑是巨大的。以下就是关于太阳的若干事实：

太阳的功率高达4×10^26瓦特，相等于10万亿座大型发电厂全负荷运转时所发出的总能量。

太阳已经燃烧了45亿年，期间以近乎恒定的速率持续释放能量。(在这段时间内，能量的变化幅度不超过20%。)

释放出的能量源自爱因斯坦著名的质能方程E=mc^2，在太阳的核心，物质转化为能量。

核心的能量需要传播到太阳表面，这一过程需穿越70万公里的气体等离子体。

最后一点非常引人注目，由于光子频繁与电离态的带电粒子碰撞，太阳核心生成的光子需历经17万年才能抵达表面。

我们曾讨论过太阳为何发光，但从未详细探讨太阳质量如何转化为能量的关键步骤。

从宏观核物理角度看，这个过程相当直接。

除了质量极大的恒星外，太阳内部的核聚变过程是将普通的质子（氢原子核）熔合成氦-4（含两个质子和两个中子的原子核），并在过程中释放能量。

这可能让人感到困惑，因为我们知道中子的质量略大于质子，那么这个过程怎么会损失质量呢？请看下图：

只有当核聚变产物（氦-4原子核）的质量小于反应物的质量时，才能释放能量。尽管氦-4由两个质子和两个中子构成，但它们结合在一起的总质量却比单独的质量要轻。

实际上，氦-4不仅比两个质子和两个中子轻，它比四个单独的质子还要轻！尽管质量差并不大，只有0.7%，但只要数量足够大，释放的能量会迅速增加。例如，在太阳中，每秒钟大约有4×10^38个质子转化成氦-4，这就是太阳质量损失并输出能量的过程。

但我们不能直接将四个质子转化为氦-4；事实上，两个以上的粒子同时发生碰撞几乎不可能。

那么，如何形成氦-4呢？

大多数情况下，当两个质子碰撞时，它们仅是相互反弹。然而，在合适的温度和密度条件下，它们有可能融合成一个前所未闻的氦状态：双质子。

双质子是一种极不稳定的结构，绝大多数时候会迅速衰变回两个质子。

但偶尔，少于0.01%的双质子会经历β+衰变，在这个过程中释放出正电子（电子的反粒子）、中微子，同时质子会转变为中子。

如果只观察初始反应物和最终产物，双质子的生存时间极短，我们只会看到如下图所示，两个质子结合后立即发生衰变，双质子的中间状态几乎不可见。

接着我们得到了氘（氢的同位素之一），一个正电子（立即与一个电子湮灭，产生伽马射线），以及一个以接近光速逃逸的中微子。

形成氘极具挑战！事实上，即使在太阳核心15000000 K的高温下，质子的平均动能也只有13Kev。能量分布呈泊松分布，这意味着质子可能具有的最高动能约为170Mev。然而，这还不足以克服质子间的库仑斥力。

但我们不必完全克服库仑斥力，因为量子力学提供了另一个方案！

质子可以通过量子隧道效应忽略库仑力，进入双质子态，其中有一小部分双质子会衰变为氘。一旦形成氘，它就可以顺利进行下一步：氦-3的生成。

将两个质子结合成氘所释放的总能量约2Mev，相当于质子质量的0.1%。但如果在氘中加入一个质子，就能得到氦-3，这是一个更稳定的原子核，包含两个质子和一个中子，并释放5.5Mev的能量，而且这个过程更为自然、快速、流畅。

虽然核心中的两个质子需要数十亿年才能融合成氘，但一旦形成氘，只需一秒钟就能与一个质子融合成氦-3。

还有一种罕见的情况是两个氘核融合，但这种情况非常少见，因此我们可以肯定地说，100%的氘与一个质子融合成氦-3。

我们通常将太阳中的核聚变过程简单地描述为“氢转化为氦”，但实际上，这是一个复杂而漫长的过程，涉及多个氢原子参与，并最终产生一个氦原子！在形成氦-3之后，有四种途径可以形成氦-4，这是太阳核心获取能量的最有利状态。

形成氦-3至氦-4的四种途径

第一种，也是最常见的，是让两个氦-3原子核融合，生成一个氦-4原子核并释放出两个质子。在太阳中生成的所有氦-4原子核中，约有86%是通过这一路径形成的。这一过程在1400万开尔文以下的温度中占主导地位，顺带一提，太阳比宇宙中95%的恒星还要热，质量也更大。

换句话说，在恒星中形成氦-4的最常见路径是：两个质子在量子隧道效应作用下形成双质子，双质子偶尔衰变为氘，氘与一个质子生成氦-3，然后在大约一百万年后，两个氦-3原子核融合生成氦-4，在此过程中释放出两个质子。

但在更高的能量和温度下（太阳核心最深处的1%），另一种反应占据主导。

第二种途径，在高能量下，氦-3可以与一个现有的氦-4合并，生成铍-7。原本铍-7会找一个质子生成硼-8；然而，由于它不稳定，在反应前就会衰变为锂-7。在太阳中，通常在衰变后加上一个质子，生成铍-8，铍-8迅速衰变为两个氦-4核，这一过程生成的氦-4约占太阳中氦-4总量的14%。

第三种途径，在质量更大的恒星中（例如O型、B型恒星），质子与铍-7的聚变发生在衰变至锂之前，生成硼-8，硼-8首先衰变为铍-8，再衰变为两个氦-4原子核。这一过程在与太阳类似的恒星中并不重要，只占氦-4总量的0.1%，但在巨大的O型和B型恒星中，这是生成氦-4最重要的核聚变反应。

此外，作为补充，第四种途径是，理论上氦-3可以直接与质子融合，直接生成氦-4和正电子（及中微子）。这一途径在太阳中极为罕见，所产生的氦-4核不到百万分之一，但在质量最大的O型恒星中，这一过程可能占据主导地位！

总结

综上所述，在太阳中占主导地位的核反应，每一个反应的最终产物是：

两个质子结合产生氘（约占40%），

氘与质子聚变产生氦-3（约40%），

氦-3原子核聚变产生氦-4（约17%），

氦-3与氦-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%）。

因此，你会惊讶地发现，在太阳的核反应中，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，作为科学爱好者，我们不能简单地说一句氢聚变就了事，这显得不专业！

这就是太阳能量来源的核物理原理，以及在该过程中发生的各种反应！