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都是核聚变,为何太阳已稳定燃烧45亿年?氢弹却一下子炸完了?

7月19日 吴梦筱投稿
  令人不可思议的是,远在约1。5亿公里之外的太阳,竟然类似一个不断爆炸的氢弹,每秒钟有约5。46亿吨氢发生聚变,释放大量的热。
  其中只有约二十二亿分之一来到地球,即使只占太阳总辐射能量很小的一部分,也有1。7651017焦耳,这是什么概念呢?这相当于600万吨标准煤燃烧产生的热量,也相当于地球人类每年全世界消耗总能量的数万倍。
  太阳和氢弹的原理都是核聚变,为何氢弹是一下子炸开,全部释放完,而太阳却缓慢燃烧几十亿年,没像氢弹那样炸开来呢?核聚变是怎样发生的?
  核聚变中的核就是指的原子核,我们都知道,一切事物都是原子构成的,而原子是由原子核以及电子构成的。
  其中原子核又是由中子和质子组成,质子带正电,并且质子的数量决定了整个原子的性质,比如氧原子有8个质子,碳原子有6个质子,正是质子数的不同,造就了原子不同的性质。
  因为原子核中的质子带正电,中子不带电,所以整个原子核呈正电性。我们都知道,同性相斥、异性相吸,假如两个原子核遇到一起,就会因为同为正电性而相斥,假如强行把两个原子核挤到一起,就需要克服强大的静电斥力,这在高温高压下是有可能发生的,这就是核聚变反应。
  当发生核聚变反应时,就会形成一种新的原子。比如氢核聚变,氢原子有一个质子、一个中子,两个氢原子核结合后,产生的新原子核有两个质子、两个中子,这就是氦核。(实际过程要更加复杂)
  按照我们的想法,新原子核的质量就是之前两个原子核质量之和,就是112。但实际情况是,新原子核质量会略小,因为其中有小部分质量以能量的形式释放出去,这个释放能量遵循爱因斯坦的质能方程,也就是Emc2,这是非常小的能量,但原子数量很多,所以积累起来,便是惊人的能量。氢弹爆炸时,内部到底发生了什么?
  氢弹爆炸时,内部就是核聚变反应,具体地说,就是氢的同位素:氘和氚,它们都有一个质子,不同之处在于氘有2个中子,氚有3个中子,核聚变后,新生成的原子核有4个中子和2个质子,也就是氦核,多余的一个中子释放出去,还伴随着176万电子伏特的能量。
  太阳是自发的核聚变反应,而氢弹则是人为的结果。这样做的代价就是,氢弹爆炸需要上亿度高温,这比太阳的核心温度约1500万摄氏度高得多(太阳为何不需要这么高的温度呢?我后面再说)。
  科学家早在上世纪30年代就了解了核聚变的原理,但核聚变需要上亿度高温,这在地球自然界中完全不存在,实验室里也难以制造。直到第一颗原子弹爆炸成功,人们惊喜地发现,以核裂变为原理的原子弹爆炸,可以提供上亿度高温,满足核聚变反应的条件。
  所以氢弹就可以着手设计了。我们以氢的同位素作为聚变反应的原料,用原子弹作为扳机(也被称为初级),来引发核聚变(聚变的部分被称为次级,因为它是被引发的)。
  太阳核聚变的原理,为何没有嘣的一下炸开?
  前面说了,太阳的核心温度只有1500万摄氏度,是远低于核聚变反应所需要的上亿度高温的,那么为何太阳还能进行核聚变反应呢?
  一开始科学家也认为,太阳核心温度太低了,不足以发生核聚变反应,但随着量子理论的提出,人们认为是量子隧穿效应导致的。也就是恒星的内的物质都处于等离子态,也就是弥散着质子和电子,在很小的几率下,质子间会克服静电斥力发生融合反应。既然能发生核聚变反应了,为何太阳只是缓慢地燃烧,没有嘣一下炸开呢?
  太阳自身71。3由氢构成,而氢由一个质子和一个电子构成,在等离子态下,满足了量子隧穿的条件,质子之间会通过隧道克服强大的静电斥力,接近到能发生核聚变的范围内,在千万摄氏度下也能进行。
  因为太阳的质量实在太大了,虽然产生量子隧穿是极为罕见的事情,但是在太阳这里,变成了一件极为常见的事情。
  虽然常见,但这主要是依靠量子隧穿效应进行的反应,由于静电斥力的存在,这个反应进行得极其缓慢,因此不会像氢弹一样,嘣的一下炸完。目前太阳已经稳定燃烧了45。6亿年,预计还会燃烧50到60亿年,到那时,地球早已不适宜生命存在,至于人类,灭绝还是离开了太阳系,这些都难以断定。
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