太陽中心功率密度只有人體十分之一,為什麼還能發生核聚變反應?

2020-12-03 徐德文科學頻道

很多人可能都看過周星馳的電影《大話西遊之大聖娶親》,牛魔王舉著芭蕉扇狂扇,烈焰飛騰,大地崩裂,向著太陽飛去。

唐僧等人坐在地上,欲哭無淚,等著飛進太陽被燒為灰燼。

孫悟空瘋狂地追上去,用金箍棒抵住大地,試圖救回唐僧等人。

就在這性命攸關的時刻,紫霞仙子追了上去,非孫悟空承認還愛著自己。

女人真是感性的動物,不分地點場合,總喜歡在錯誤的時間展現自己的情痴和瘋狂。

牛魔王殺氣騰騰衝了上來,將魔叉射向了孫悟空。

紫霞為救孫悟空,捨身擋住了魔叉。

生命的代價終於換來最後的牽手,孫悟空頭上的金箍卻因情動而越箍越緊,情愈深,痛愈真,他再也無法拉住紫霞的手,只能任由她墜向太陽,撕心裂肺。

至尊寶和紫霞仙子五百年穿越時空的愛情令人唏噓,然而在太陽內部,更有一種牽手讓人悚然心動,因為這種牽手的發生,需要幾十億年才能得到一次機會。

這種牽手發生在太陽中心的質子之間,兩個質子要突破難以逾越的勢壘結合在一起,平均需要等待76.2億年的時間,這是何等渺茫的希望。

質子的愛情,可謂地老天荒!

而地球上的生命萬物,就是憑藉這種76.2億年才有一次機會點燃的質子「愛情」火焰,才得以欣欣向榮,葳蕤璀璨!

氫彈和太陽的核聚變反應機制不同

有些人可能會說,你說的什麼呀,我怎麼聽不懂呢?別著急,看完你就懂了。

我說的是太陽內部的核聚變反應,這種反應為黑暗的宇宙帶來光明,我們夜空中看到的所有星星,除了幾顆太陽系的行星,都是在持續不斷進行聚變反應的恆星。

這種反應發生在兩個氫原子之間。氫原子只有一個質子,兩個質子必須走到一起,合成氦原子核,才會釋放出巨大的能量,照亮黑暗的宇宙。

有些人可能覺得不可思議,核聚變反應不是瞬間就完成的麼?氫彈爆炸一瞬間,所有該結合的質子就結合起來了,釋放出足以毀滅一切的狂暴力量,怎麼參與太陽聚變反應的質子就要76.2億年才有一次機會呢?

氫彈和太陽的核聚變反應機制有著很大的不同。

氫彈的聚變反應是一次性的,氫彈爆炸的時候,其內部的核裂變裝置(原子彈)爆炸,將輕核裝料壓縮在高溫高壓的空間,瞬間發生聚變反應,釋放出巨大的能量。

而太陽核聚變發生的條件則是由自身引力提供的,物質聚集的巨大引力傳遞至太陽核心,形成高溫高壓的環境,當壓強和溫度超過聚變反應的臨界值時,就會點燃恆星的聚變反應。

太陽核聚變反應的壓力和溫度遠小於氫彈引爆時核裂變產生的壓力和溫度,其反應的速率也比氫彈要低得多,從而讓太陽的核聚變變得可控。

太陽核聚變可控

太陽的核聚變反應99%發生在太陽半徑24%之內的區域,到30%半徑處,核聚變就幾乎完全停止了。

即使是在核心區域內,核聚變產生的功率密度也是極小的,大約是276.5瓦/立方米,大約相當於一個成年人單位體積發熱功率的1/10。

你可能萬萬想不到了吧,太陽核聚變反應的功率竟然還沒有人體高。

太陽之所以能產生那麼大的能量,不是因為它核聚變反應的強度高,而是因為它規模巨大,直徑139萬公裡的一個球啊!

要是有那麼多人密密麻麻聚集在139萬公裡的一個球裡,釋放的能量肯定會比太陽還多得多。

好吧,其實不可能,因為那麼大體積的人體球,馬上就會坍縮成一個黑洞,大家都到奇點裡去了。

太陽的聚變反應在巨大的引力和輻射壓力下處於平衡狀態,可以進行自我修正。

反應速率稍微提升一些,溫度和壓強就會增大,就會導致核心膨脹,從而降低核聚變速率;

而反應速率稍微下降,就會導致溫度和壓強降低,核心就會收縮,使反應速率再度提高,從而維持一種動態的平衡,讓我們的太陽幾十億年如一日穩定地釋放能量,供給我們生命所需的適宜的光和熱。

換句話說,如果太陽的聚變反應真的像氫彈一樣,bia一聲就完了,那我們這些所謂的智慧生命還能存在呢?

太陽核聚變其實是靠擲骰子

現在回到最初的問題,為什麼在太陽核心,平均每個質子要等待數十億年才能參與一次聚變反應呢?

這是因為,太陽內部的核聚變反應是以質子﹣質子鏈反應為主,由一系列複雜的反應組成。

其中最重要的第一步,就是需要兩個氫原子中的質子和質子碰撞,融合成氘核。

這點很好理解,兩個人從來沒有相遇,如何產生愛情,並最終結合在一起呢?

由於原子核之間庫侖斥力非常強,即使太陽內部溫度如此之高,壓力如此之大,也遠遠達不到聚變反應發生的條件。

就像一對真心相愛的情侶,家庭、社會和經濟勢壘阻力太大,也無法走到一起,生下愛情的結晶。

質子和質子之間也是如此,庫侖斥力實在太大,它們根本無法結合在一起。

然而微觀世界有個量子效應,叫做量子隧穿,機緣巧合的情況下,質子和質子也有機會撞在一起,只是這種機率實在太小,需要76.2億年才能撞到一次。

作為兩個質子個體來說,這種機率實在太渺茫了,根本就可遇而不可求。

然而太陽質量巨大,總共有約8.9×10^56個自由質子,除以76.2億年,這就意味著太陽內部每秒鐘就有3.7×10^38個質子「機緣巧合」,可以量子隧穿,越過勢壘參與核聚變反應,釋放自己的光和熱。

兩個情侶真心相愛,哪怕距離再遠,勢壘再強,走上三年五年,可能也能走到一起,幸福地結合,生下可愛的baby。

所以看看,宇宙其實就是一個賭窩,連太陽的核聚變反應都是靠擲骰子來決定的。

相關焦點

  • 太陽核聚變功率密度只有人體十分之一,怎麼可能發生核反應?
    我說的是太陽內部的核聚變反應,這種反應為黑暗的宇宙帶來光明,我們夜空中看到的所有星星,除了幾顆太陽系的行星,都是在持續不斷進行聚變反應的恆星。 這種反應發生在兩個氫原子之間。氫原子只有一個質子,兩個質子必須走到一起,合成氦原子核,才會釋放出巨大的能量,照亮黑暗的宇宙。
  • 核聚變至少要一億度,太陽核心只有1500萬度,為什麼還能核聚變?
    看到這裡相信很多朋友都會有一個疑問,教科書上寫著太陽中心溫度也就1500萬度,而ITER第一次開機運行的溫度也遠超1500萬度,為什麼太陽能行而ITER不行?在距離太陽不超過五分之一半徑的區域內,溫度接近1360萬K,而太陽表面只有5800K,當然除了這些以外還有一個產生這個高溫的一個途徑:超高壓,這是太陽外圍將近100多萬千米厚度的質量壓縮導致的,中心壓力超過2500億個大氣壓
  • 既然太陽會發生核聚變反應,為什麼它不會瞬間爆炸?
    由於太陽自身巨大的重力擠壓,使其核心的壓力和溫度變得極高,形成了可以發生核聚變反應的環境。氫原子核(即質子)通過質子-質子鏈反應以及碳氮氧循環(主要是前者)結合成氦原子核(氦-4),同時釋放出巨大的能量。但是為什麼所有的氫原子核不會瞬間聚變呢?或者說太陽為什麼不會一下子爆炸? 一切都從核心開始。
  • 太陽核心溫度只有1500萬攝氏度,為什麼會發生核聚變反應?
    在這裡,有的朋友不禁要問了,太陽內部的溫度只有1500萬攝氏度,為何就能激發核聚變反應呢?很多朋友估計對氫彈爆炸印象深刻,瞬間就會向外界釋放巨量的能量,隨著爆炸產生的衝擊波對周圍區域的殺傷力無比巨大。其實氫彈爆炸的過程主要包括兩個階段,前一階段包含著原子彈爆炸的過程,即利用鈾235等重元素核裂變產生巨大能量。
  • 同樣是核聚變,為什麼太陽能燃燒100億年,而氫彈一下就炸了?
    同樣都是依靠核聚變反應,氫彈一下子炸得渣都不剩,而太陽到如今已經燃燒了接近50億年,而且它還會這樣繼續燃燒幾十億年,那這到底是為什麼呢?1500萬度,這和上億度還有很大的差距,照理說是不能引發核聚變反應的,那為什麼太陽內核還能發生核聚變反應呢?
  • 同樣是核聚變,為什麼太陽能燃燒100億年,而氫彈一下就炸了?
    太陽源源不斷的能量來自於它內核的核聚變反應,這其實和氫彈的原理是類似的。可是你發現沒有?同樣都是依靠核聚變反應,氫彈一下子炸得渣都不剩,而太陽到如今已經燃燒了接近50億年,而且它還會這樣繼續燃燒幾十億年,那這到底是為什麼呢?
  • 同樣是核聚變反應,為什麼太陽沒有像氫彈那樣一下子全炸了?
    氫彈也屬於核武器的一種,它主要是利用氫的核聚變反應形成爆炸的一種殺傷性武器。而太陽的燃燒同樣是由核聚變反應所引起的,四個氫原子核通過核聚變反應產生一個質量更重的氦原子核,從而釋放出大量的能量以此來維持太陽的燃燒。那麼,為何太陽內部發生核聚變反應時沒有像氫彈那樣一下子全炸了呢?
  • 太陽內部進行著核聚變反應,為什麼人類沒有暴露在核輻射之下?
    會對人體產生嚴重傷害的核輻射,主要有X射線、伽馬射線、α射線、β射線、中子射線等等,這些射線在太陽內部進行核聚變時也會產生,但是它們絕大部分到達不了地球表面。無論是氫彈還是原子彈,在核爆之後的一段時間內,都會對當地產生嚴重的核輻射;太陽內部隨時都在進行著核聚變反應,這當中也會產生大量的核輻射。
  • 為什麼太陽的核聚變反應,不是一瞬間全部爆炸,而是持續發生的?
    為什麼太陽的核聚變反應,不是一瞬間全部爆炸,而是持續發生的?太陽每日都在為地球提供光和熱,正是因為太陽所帶來的能量,才讓地球從一個光禿禿的球體變為了生命遍地的美麗星球,所以生命體根本無法離開太陽。所以,太陽對於地球來說,是非常的重要的,它可以不斷的為我們提供能量,那麼,它能為地球持續不斷供能的原理又是什麼呢?
  • 為什麼原子彈的爆心溫度比太陽中心溫度還高?
    圖註:儘管有耀斑、日冕物質拋射、太陽黑子和其他發生在外層的複雜物理現象,太陽的內部還是相對穩定的:以內部溫度和每一層內部密度定義的速率產生聚變。以半徑計算,大部分核聚變發生在太陽最深處的20-25%。但按體積計算,這隻佔太陽的1%。
  • 同樣都是核聚變反應,為什麼氫彈瞬間爆炸,太陽卻能維持100億年
    但是太陽內部的核聚變反應的時間要漫長的多。太陽的核聚變的反應不但已經持續了46億年的時間,而且未來還會穩定的維持大約60億年。為什麼太陽的核聚變反應能夠穩定維持100億年而不是瞬間爆炸完了呢?太陽的質量非常的大。太陽質量足足有地球的33萬倍。科學家研究發現太陽的核聚變反應只發生在太陽的內部。從太陽中心到四分之一個太陽半徑的區域是太陽的核聚變反應區。這裡的溫度可高達1500萬攝氏度,氣壓相當於3000億個地球大氣壓。在核反應區,每秒鐘就有6億噸的氫通過核聚變反應變為5.96億噸的氦,同時釋放出相當於400萬噸氫的能量。
  • 太陽內部的核聚變是怎麼發生的?量子力學告訴你答案
    這是怎麼發生的?在恆星的深處——包括我們太陽的核心——光元素在極端條件下融合成更重的元素。在超過400萬開爾文的溫度下,在密度是固態鉛的十倍以上的情況下,氫原子核(單個質子)可以通過鏈式反應融合在一起形成氦原子核(兩個質子和兩個中子),在此過程中釋放出大量的能量。
  • 太陽也是核聚變反應,氫彈炸得齏粉不留,為什麼太陽還好好的?
    估計現在就是小盆友也知道太陽的能量來自核聚變反應了,而且還只是在內核一小部分發生反應,太陽巨大的質量將這個爆裂的核心牢牢的鎖在中心,因此太陽看起來溫順如小綿羊,但各位可能不知道的是,即使在太陽表面,無時不刻的釋放這爆炸著人類試驗過的最大的氫彈,但太陽依然安然無恙!
  • 網友問:太陽中心的核聚變反應,是如何產生光這種能量的? - 艾伯...
    太陽內部的核聚變反應是非常複雜的,涉及幾十個核聚變方程,不過我們可以簡單地梳理幾個,來了解光子產生的過程。我們知道,氫元素有三種同位素:氕、氘、氚:恆星的第一步核聚變,是兩個氕核聚變為氘核,並釋放一個中微子和正電子,正電子遇到周圍的電子,會湮滅為兩個光子,反應方程式如下:(1)1H+1H→2D+e(+)+v,ΔE=1.442MeV
  • 太陽那麼高強度的核聚變反應,為什麼不會失控?
    我們先來看一下氫彈爆炸的原理,說白了它是一種核裂變和核聚變的綜合體,內部是氫彈,外部是原子彈(當然現代大部分氫彈在最裡層還會布設一層原子彈),首先要引爆外層的原子彈,通過鈾-238發生裂變,釋放出巨大的能量,使得中心區溫度瞬間達到1億度(這也是氫發生核聚變的最低溫度),從而激發內核氫同位素-氘的核聚變反應,達到引爆氫彈的目的。
  • 世界最大「人造太陽」開建 核聚變的發展方向會是啥?
    圖片來源:ITER什麼是核聚變?太陽的能量來自核聚變反應。核聚變不產生直接放射性核廢料,產物是不具有放射性的氦氣,具有固有的安全性;不產生二氧化碳等大氣汙染物;非常容易通過熄滅等離子體的方法快速終止核聚變反應,不存在反應失控的危險。因此,核聚變是解決人類能源危機,戰勝環境汙染問題的重要途徑。但是,可控核聚變的難點,在於兩個問題。一,如何將聚變材料加熱到上億度的高溫?二,用什麼容器來裝溫度這麼高的聚變材料?
  • 同為核聚變反應,為什麼中國「人造太陽」成不了另一個太陽?
    人造太陽是俗稱:沒錯,人造太陽不是真正的名字,而是一個俗稱,就好比一個人的小名,而人造太陽本來的名字叫做國際熱核聚變實驗堆計劃(ITER)。簡單點說,大家很關心的這個人造太陽其實就是一個ITER裝置,而這個超導託卡馬克最大的本事就是可以產生大規模的核聚變反應,太陽便是通過核聚變的方式向周圍宇宙空間釋放光和熱。
  • 太陽的核聚變鏈式反應
    除了氫(太陽的燃料),我們身體中的其他原子都是在超新星以及恆星核心之中融合而成的。不過,這個核聚變過程還是很複雜的,並且也很難,即使是在恆星的核心之中。例如,看似簡單的氫核聚變成氦,這是我們太陽的主要能量來源。通過簡單的計算可以得到,太陽核心的溫度約為300萬開爾文(開爾文K為熱力學單位,與攝氏度的轉換關係為:開氏度 = 攝氏度+273.15)。
  • 太陽是什麼物質組成的?為什麼會自發地發生核聚變反應呢?
    那麼太陽是由什麼物質構成的呢?為什麼太陽不會像氫彈那樣一下炸了,而會穩定地發生核聚變反應?太陽是什麼物質組成的? 太陽主要是由氫和氦元素組成。
  • 太陽也是核聚變反應,為什麼太陽能夠維持穩定而不發生爆炸?
    太陽的主要組成就是氫,在高溫高壓的環境中發生碰撞進行核聚變形成氦太陽每秒鐘會消耗6億噸氫,經核聚變形成5.95億噸氦,在反應過程中損失的500萬噸質量都按照質能方程轉化成能量。