太陽內部的核聚變是怎麼發生的?量子力學告訴你答案

2020-12-04 老胡說科學

今天宇宙中濃縮能量的最大來源是星光,在那裡,宇宙中最大的單個物體通過最小的過程釋放出巨大的能量:亞原子粒子的核聚變。如果你碰巧在一顆圍繞這樣一顆恆星運行的軌道上,它可以為你提供所有必要的能量,以促進複雜的化學反應,這正是地球表面發生的事情。

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。

乍一看,你可能不會認為能量是被釋放出來的,因為中子比質子的質量略大:大約0.1%。但是,當中子和質子結合成氦原子時,四個核子的整體質量——大約是0.7%——要比單個的、未結合的成分小得多。這個過程使核聚變能夠釋放能量,正是這個過程為宇宙中絕大多數恆星提供了能量,包括我們的太陽。這意味著每次太陽將4個質子融合到氦-4原子核中,就會釋放出28兆電子伏的能量,這是通過愛因斯坦的E = mc2的質能方程計算得出的。

總之,通過觀察太陽的輸出功率,我們測量,如果它發出一個連續4×10^26瓦的能力就意味著在太陽的核心,每秒高達4×10^38個質子融合成氦- 4。

如果你考慮到整個太陽中大約有10^57個粒子,其中略少於10%在核心,這聽起來可能並不牽強。畢竟:

這些粒子以巨大的能量四處移動:每個質子在太陽核心中心的速度約為500公裡/秒。密度非常大,所以粒子碰撞非常頻繁:每一個質子每秒與另一個質子碰撞數十億次因此,只需要這些質子-質子相互作用中極小的一部分,就能產生太陽所需的能量。因此,即使太陽中的大多數粒子沒有足夠的能量來到達那裡,它也只需要很小的比例融合在一起就可以為我們所看到的太陽提供能量。所以我們做了計算,計算了太陽核心裡的質子是如何分布它們的能量的,我們得出了一個數字這些質子-質子碰撞有足夠的能量進行核聚變。

這個數字是零。這兩個帶正電荷的粒子之間的電斥力太大,即使是一對質子也無法克服它,並與太陽核心中的能量融合在一起。請注意,當你考慮到太陽本身的質量比宇宙中95%的恆星都要大時,這個問題只會變得更糟!事實上,每4顆恆星中就有3顆是m級紅矮星,它們的最高核心溫度還不到太陽的一半。

只有5%的恆星產生的溫度和太陽內部的溫度一樣高。然而,核聚變發生了,太陽和所有的恆星都會釋放出這些巨大的能量,不知何故,氫變成了氦。秘密在於,在基本層面上,這些原子核不僅僅是粒子,而是波。每個質子都是一個量子粒子,包含一個描述其位置的概率函數,使相互作用的粒子的兩個波函數發生輕微的重疊,即使排斥力將它們完全分開。

這些粒子總有可能經歷量子隧穿,最終進入更穩定的結合狀態(例如氘),從而釋放出聚變能,並允許鏈式反應繼續進行。儘管量子隧穿的概率是非常小的,任何特定的與質子間的交互在10^28分之1,或者就像你連續三次贏得強力球彩票一樣,這種極其罕見的相互作用足以解釋太陽能量(以及幾乎所有恆星的能量)的全部來源。

在量子力學的幫助下,描述了太陽如何發生核聚變如果不是因為宇宙中每個粒子的量子性質,以及它們的位置是由波函數描述的,而波函數對它們的位置具有固有的量子不確定性,這種使核聚變發生的重疊永遠不會發生。今天宇宙中絕大多數的恆星都不會被點燃,包括我們自己的。我們的宇宙將是荒涼而冰冷的,絕大多數恆星和太陽系都沒有被寒冷、罕見、遙遠的星光照亮。

是量子力學的力量讓太陽發光。從根本上說,如果上帝不和宇宙玩骰子,我們就永遠不會連續三次贏得強力球。然而,有了這種隨意性,我們一直都在贏得勝利,獲得了數百千瓦的持續能量,而我們就在這裡。

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  • 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?
    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。
  • 論科學:太陽內部發生的核聚變為什麼能持續很久,而不是一瞬間?
    太陽是一直在不斷的為我們的地球提供著能量的,相信大家都知道,太陽之所以能夠為我們源源不斷地提供能量,主要是因為在太陽的內部,在不斷的發生著核聚變反應,由此才可以放射出如此多的能量,那麼就有人非常的好奇,太陽從誕生到現在,已經45.7億年了,一直源源不斷的在放射著能量,內部也一直在不斷的發生著核聚變反應。很多人在想,為什麼太陽不是一瞬間放射出所有能力?
  • 太陽幾十年來內部一直在發生核聚變,這些能量是靠什麼來維持的?
    但是按道理來說,這個溫度還不足以突破質子發生核聚變的程度,這裡就有一個能夠突破原子間庫侖力的「快捷通道」,那就是量子隧穿效應,也就是說在時間不確定度很小致使能量不確定度突然增大的情況下,質子就會能夠在「較低」的溫度下,質子也會有一定機率突破庫侖力的阻擋進入其它原子核的內部,從而推動能量的提升達到核聚變的條件。
  • 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?
    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。
  • 如果太陽內部核聚變反應停止,地球多長時間會陷入黑暗?
    有人曾經提出這樣一個問題:如果太陽內部的核聚變反應停止,地球多長時間會陷入黑暗?可能很多人會說,這麼簡單的問題小學生也會計算和回答,太陽到地球的距離約為1.50億千米左右,而光在真空中的傳播速度是299792458米/秒,計算後得出光子到達地球的時間約為8分鐘。所以,太陽熄滅後,8分鐘之後地球將陷入黑暗。
  • 如果太陽停止核聚變,地球只剩8分鐘時間?答案很現實
    我們假想一個問題,如果太陽內部的核聚變反應停止了,地球多長時間會陷入黑暗?或許一般人會給出這樣一個答案,太陽到地球的距離大約為1.5億千米,而光速則是30萬千米/秒,我們用最簡單的物理公式就可以得出光子到達地球的時間大約為8分鐘,也就說當太陽的核聚變停止的時,人類還有8分鐘的時間能夠享受光明,接下來將是永恆之夜的降臨.但是這個答案正確嗎?我們一起來看看.
  • 德國仿星器核聚變裝置試驗成功:將有效模擬太陽內部環境
    (原標題:德國仿星器核聚變裝置試驗成功:將有效模擬太陽內部環境)
  • 像太陽這樣的恆星在內部核聚變結束後,會變成什麼?
    目前太陽正處於中年,內部的氫元素核聚變正處於鼎盛時期,每秒鐘所消耗的氫元素質量大約為7億噸,這個數值看上去非常龐大,但是由於太陽的總質量也非常巨大,因此,這種鼎盛的核聚變局面還可以持續至少10億年以上,之後就會緩慢進入紅巨星時代,觸發氦元素的核聚變。
  • 太陽核心溫度只有1500萬攝氏度,為什麼會發生核聚變反應?
    後一階段則是利用原子彈爆炸產生的能量,使氫彈中的氫同位素氘和氚在高達1億攝氏度的環境下,發生核聚變反應,生成氦4原子核,同時釋放更大的能量。作為核聚變反應條件最低的氫,在現有人工控制下至少得需要1億攝氏度的高溫,這一點與「人造太陽」原理基本相似。
  • 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。
  • 太陽發生核聚變,為什麼沒像氫彈一樣炸掉?科學家:其實不一樣
    氫彈發生核聚變會爆炸,太陽也發生核聚變,為什麼卻一直安然無恙 現如今,隨著科技的快速發展,人類的文明也在取得了巨大的進步,其中人類也發明了很多強大的武器,比如說氫彈就是人類所熟知的威力最為強大的一種武器。
  • 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。
  • 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?
  • 核聚變需上億度高溫,可太陽只有1500萬度,怎能聚變百億年?
    說到能源,地球上所有的能量的源頭其實都是太陽,而太陽之所以能夠產生巨大的能量,也是源於其內部的氫核聚變。身在地球之上,我們很難體會到太陽所釋放的能量有多麼巨大,自然也無法領略太陽內部核聚變的威力,這都是因為我們能夠收集到的太陽能量實在太少了。
  • 核聚變需上億度高溫,可太陽只有1500萬度,怎能聚變百億年?
    太陽的能量和人類所製造的氫彈都是基於核聚變,但兩者卻有著很大的區別,因為如果以製造氫彈的標準來衡量太陽,太陽根本無法發生聚變反應,原因就在於它的溫度不夠。為了弄懂太陽是怎麼一回事,我們有必要先簡單了解一下氫彈的原理。
  • 太陽那麼高強度的核聚變反應,為什麼不會失控?
    大家都知道,太陽內部的核聚變和氫彈爆炸的原理有一定的相似性,為何氫彈瞬間燃爆,而太陽可以持續釋放能量呢?之所以出現這樣的情況,有一個非常形象的概念來形容,那就是可控性。簡單來說,氫彈爆炸屬於不可控的核反應,而太陽內部的核反應屬於可控的核聚變。
  • 太陽是可控核聚變嗎?不然的話為什麼不會爆炸?
    事實上,在茫茫宇宙中無時無刻都在發生著核聚變,時刻進行著核聚變的天體被人們稱之為恆星!太陽便是這樣的天體!根據科學家的推算,太陽內部的核聚變已經持續了近50億年,而且在未來大約50億年內仍將繼續。太陽將在這種穩定的核聚變下「燃燒」完自己的生命,然後膨脹成為紅巨星,再坍縮成為白矮星,最後完全冷卻,消失在黑暗中!
  • 50億年後太陽會爆炸嗎?科學家解密核聚變反應,太陽不能自救
    導語:自小到大,我們都承受著太陽的「恩澤」。常識在告訴我們,沒有它,人類就得滅亡了。它還能堅持多少年?是50億年嗎?這個時間是否準確,它又為何不進行自救呢?你還記得今年最「出位」的國產科幻電影《流浪地球》嗎?除了劇情感人和特效吸睛以外,該電影還揭露了未來世界的一角:太陽毀滅,人類逃亡。在影片中的設定是這樣的:太陽出現了氦閃,化為了紅巨星,面臨死亡。失去熱量支撐的地球,難以在太陽系中生存,因而他們打算利用行星驅動器驅使地球逃離太陽系。
  • 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。
  • 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。