「疫霾」陰沉著大地,終將被陽光碟機散;簡述太陽產生能量的機理

我們每個人都有責任配合整個社會防控疫情，空閒在家時可以了解一些科學知識，豐富自身的才智。太陽是地球生命賴以生存的能量源泉，那麼太陽這類恆星是如何產生能量的？

恆星的核聚變反應發生在內核，經過數學計算和計算機模擬推理估計，進行核聚變反應的內核半徑只佔恆星半徑的四分之一，恆星內核的溫度極高，電磁力已經無法正常發揮作用，電子與原子核分離，原子核被緊壓成為高密度的等離子體。以我們人類最熟悉的太陽為例，太陽的內核只佔體積的1.5%，可能相當於木星的體積，但是質量卻達到太陽的一半左右，太陽內核的溫度為1500萬開爾文，內核邊緣也達到1300萬開爾文，內核中的質子和原子核因萬有引力壓縮的密度極高，這一密度推測可能達到地球上金屬鉛的12倍，或者液態水160倍的密度。在如此高溫、高密度的環境中，快速運動的質子之間便有機會相互碰撞。物理學家及一些研究團隊使用粒子加速器進行檢驗，觀察和測量質子對撞時形成的碰撞截面，並計算因碰撞在太陽內核生成氘核的頻率，這是物理學家們花費了數十年的時間才探明了恆星發光的機制。

恆星為什麼會出現產熱和發光的現象呢？利用一架普通天文望遠鏡並且採取相應的保護措施，我們就可以間接地觀察太陽，太陽像是懸在天空中的一個巨大火爐，太陽「爐火」已經為整個太陽系提供了大約60億年的能量，據科學家推算太陽只是處在生命的中年時期，太陽可能還要繼續燃燒40～50億年的時間。那麼太陽以及其他恆星是通過什麼機理實現能量產生的呢？答案異常簡單，太陽以及其他恆星是以強核力的形式產生的能量，通過將氫元素、氦元素等簡單元素聚變為相對複雜的元素的過程，同時在這一過程中釋放出巨大的能量，人類擁有的毀滅性的武器—氫彈，就是運用恆星核聚變產能的相同原理。

氫氣雲構成的原恆星在演變成為主序星之前，其化學成分不會發生多少變化，當原恆星核心的溫度在引力勢能的作用下達到核聚變的臨界溫度，即達到攝氏一千萬度時，強相互作用的反應將會開啟，恆星將會從氫元素開始，將氫元素聚變成氦元素，也被稱為質子—質子鏈循環，第二種是更為複雜的碳氮氧循環（CNO循環），這種核聚變循環反應主要發生在質量比太陽更大的恆星之中。

限於篇幅原因，本文探討質子—質子鏈循環，即氫元素向氦元素轉化的核聚變反應，以後的文章再介紹大質量恆星的碳氮氧循環核聚變反應。

在傳統上將恆星的核聚變稱之為「氫的燃燒」，實際上如此描述氫元素的核聚變反應是一種誤導，在整個過程中並不存在氫的燃燒。氫元素是宇宙之中最簡單的化學元素，氫只有一個質子與一個核外電子構成，對於氫原子來說核聚變就是質子聚變增多，同時釋放能量反應的過程。質子帶有一個單位的正電荷，根據經典物理學的原理，兩個相同電性的粒子接近到一定距離時，粒子相互之間會產生較大的電磁互斥力阻止它們繼續接近，在互斥力的作用下粒子不太可能接近到產生強核力作用的微小距離。這種粒子靜電同性相斥的庫倫勢壘會因為極高的能量而被瓦解，在極高溫度的環境中，使氫原子電離成質子和電子，高溫使得這些質子和電子獲得極高的速度和動能，根據量子理論原理的解釋，具有高動能的質子之間可以突破庫倫勢壘的影響，彼此可以接近到強核力作用的微小距離，從而使質子之間的核聚變反應成為可能。

為什麼要說具有極高能量的質子進行核聚變反應只是一種可能呢？因為根據理論計算，發生核聚變反應的概率極低，平均一對質子每100億年發生一次核聚變反應，然而在原恆星或者恆星之中存在數量極為龐大的質子，因此一定規模的核聚變反應依然能夠進行。原恆星或者恆星之中質子核聚變反應的第一步一旦開始，第二步反應大概需要進行6秒鐘，而第三步反應則需要約100萬年的時間。在第一步反應是2個質子聚合成為氘核，即重氫核，同時釋放出1個正電子和1個中微子；第二步反應是1個質子與1個氘核聚合成氦3核，並且輻射出1個光子；第三步反應是2個氦3核聚合成1個氦原子核，同時釋放出2個質子和1個光子。但是在第一步反應之中，氘核是由1個質子和1個中子構成的，它的電荷數與質子相同，都攜帶1個單位的正電荷，當2個質子聚合成為氘核時，相應地應該消除1個單位的正電荷，但在恆星中會發生的奇妙事情。那麼中子是從何而來的呢？中子可能是通過弱核力的作用產生的，當2個質子進行聚合時，其中1個質子會衰變成為中子，同時釋放出1個中微子和1個正電子，餘下的質子與新生成的中子聚合，於是氘核便產生了，通過輻射出1個正電子使得氘核依然保持1個單位的正電荷。質子—質子鏈循環中共有4個質子聚合成1個氦核，這解釋了質量較小的恆星內核之中氫元素聚變轉化為氦元素的過程，同時也闡明恆星產生巨大能量的機理。

根據愛因斯坦的質能方程分析，恆星在質子—質子鏈循環中共有多少質量的物質轉化為能量呢？我們可以計算1個質子的質量為1.6726×10∧－27kg，4個質子的質量總和為6.6690×10∧－27kg,1個氦核的質量為6.6456×10∧－27kg，那麼4個質子與1個氦核的質量相差0.0448×10∧－27kg，這就是質子—質子鏈循環中的質量虧損，這部分質量虧損就轉換為恆星產生的能量，並且以光子向外輻射。愛因斯坦的質能方程表明即使非常微小的質量，乘以非常龐大的一個常數，能量E數值也會非常龐大。太陽在每1秒的時間能將6億噸的氫原子聚合為氦原子，同時將4噸多的物質轉換為能量。這些能量究竟有多少呢？以常規概念來看這一數值極為嚇人，太陽每秒製造的能量相當於1百萬億顆原子彈，有興趣的可以算一下地球上的人平均每人多少顆。總之這個能量數值十分巨大，如果將這些能量全部集中在地球上，能夠在幾秒鐘之內蒸發全部的海洋，在3分鐘之內熔化整個地球。值得慶幸得是，太陽之中產生的巨大能量從太陽龐大的球形身軀向四面八方輻射，這些均勻輻射的能量溫暖了遠在一億五千萬公裡之外的地球，僅有五億分之一的能量輻射到地球，如此微少的能量讓地球得以存在相當數量的液態水，並孕育和滋養著地球生物，使得我們這顆小小的星球充滿勃勃生機。

類似太陽質量的較小恆星主要是以質子—質子鏈循環進行核聚變反應，1938年美國物理學家漢斯·貝特（Hans A.Bethe，德裔）與同事查爾斯·克裡奇費爾德（Charles Critchfield）通過對恆星核聚變反應的分析和計算，指出質子—質子鏈循環的氫元素核聚變可以在沒有碳或者氮的條件下進行，可能在宇宙形成之後第一代恆星以質子—質子鏈循環在發揮產生能量的作用。按照現代宇宙學理論來看，在宇宙「大爆炸」形成之初的時候，宇宙空間之中主要存在豐度最高的氫元素、少量的氦元素和極其微弱的鋰元素，因此在第一代恆星之中是以質子—質子鏈循環的方式進行氫的聚變產生能量，此時的恆星之中逐漸生成氦，繼而形成碳、氮、氧等較重的元素。

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