太陽內部的核聚變
在太陽形成的初期,其所在區域原本是由眾多星際物質(以氫為主的氣體物質和固體星際塵埃),在受到其它引力擾動的影響下,這些星際物質的運行發生偏移,從而不斷地進行碰撞,在碰撞過程中,有一定的機率相互融合,組合成質量更大的物質團,在萬有引力的作用下,可以吸附更多的固體塵埃和周圍游離的氣體,從外界來看,這個星雲區域似乎發生了「塌陷」。隨著「塌陷」程度越來越重,這個中心聚合體的質量越來越大,由碰撞產生的能量持續轉換為熱量,使得溫度也越來越高,當質量達到一定程度之後,就形成了太陽的雛形。
當太陽中心區域的溫度達到700萬度以上時,就會激發內部氣態物質的核聚變反應,其中的氫原子核,也就是單個質子,通過鏈式反應聚合在一起,形成氦原子核,即兩個質子和兩個中子,同時產生兩個正電子,在此過程中釋放大量的能量。
核聚變為何會產生能量
而之所以釋放熱量,是由於在上述核聚變反應過程中,通過四個質子組成的一個氦原子核,其整體質量,要比四個獨立的質子質量小得多。根據愛因斯坦的質能方程,核聚變在質量虧損的過程中,會相應地釋放出能量,釋放能量的大小取絕於質量虧損的高低,其公式為:E=mc^2。經過計算,四個氫核聚變成一個氦核時:
所損失的質量為:
Δm=4×1.008 142 u-4.001 509 u=0.030 959 u。
所釋放的能量為:
ΔE=Δmc^2=0.030 959 c^2=0.030 959×931.5 MeV=28兆電子伏,約合4.6×10^(-12)焦耳。
太陽核聚變每秒所釋放的能量
通過對太陽和地球萬有引力相互關係的計算,科學家們計算出了太陽的總質量,其推志的太陽質量公式為M=R*V^2/G,其中R為地球圍繞太陽公轉的半徑,V為地球公轉的線速度,G為引力常數,最後計算出的太陽總質量大約為1.989×10^30 千克。
在此基礎上,通過太陽質量、年齡的綜合分析,得出太陽的組成成分中氫元素的含量佔到70%左右,而每秒中參與核聚變反應的氫為7億噸,可見,這僅僅是太陽整體氫含量的極小一部分,因為太陽表面所吸附的氫元素,很多都沒有到達內核。而這部分極小比例的氫元素參與核聚變,所釋放出來的輻射能就足以支撐向內引力的平衡。這每秒7億噸的氫元素參與的核聚變,所釋放出來的以伽馬射線形式存在的能量為3.8*10^26焦耳,相當於1.3億億噸標準煤能量。
一秒釋放的能量可以支持地球用多久?
如果把地球上所有的生產生活所消耗的各種形式的能量,進行集中統計的話,大約折合標準煤200億噸,換算成每秒的話就是634噸,而太陽每秒鐘釋放的能量為1.3億億噸標準煤,也就是說理論上可以供地球使用46億年。從這個數值可以看出,太陽所釋放的能量之大,是我們難以想像的,在地球能源供給日益嚴峻的形勢下,難怪會有人提出在太陽周圍建造戴森球的設想了,只不過以我們目前的科技水平,很長時間內都無法實現。
而實際上,地球所能接收到的太陽輻射,僅佔到全部釋放能量的極小一部分,很多都是向著宇宙其它方向散發,來到地球的太陽輻射,也有相當一部分被大氣層所折射,據測算,太陽輻射到達地球並且可以利用的能量,還不到總量的20億分之一。
總結一下
太陽只是宇宙中很普通的一顆恆星,但是其每秒向外界釋放的能量,是我們很難想像到的巨大。需我們的銀河系就有上千億顆恆星,可觀測宇宙中更是數不勝數,可以看出宇宙中蘊藏的能量簡直是取之不盡、用之不竭。這也從側面反映出我們人類對宇宙的認知、探測和利用等級,都是處於非常低級的程度,人類在大自然面前,在太陽系面前、在宇宙面前是多麼的渺小和微不足道呀!