太陽的核聚變鏈式反應

2021-02-25 怪羅

在先前的文章中,我們說到了我們都是由星塵組成的。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)。但實際上太陽核心的溫度接近1500萬開爾文,並且壓力超過地球海平面大氣壓的3000億倍。在如此高的溫度和壓力下,氫原子核(質子)相互撞擊。但僅讓原子核發生碰撞並不足以使它們發生核聚變。氫原子核帶正電,所以它們距離越近靜電斥力就越大(同性相斥)。原子核之間的靜電斥力非常之高,使得大多數碰撞並不能強大到足以克服這個斥力。

元素周期表


幸運的是,這些原子核不需要克服所有的排斥力。通過一種被稱為量子隧穿的效應,那些距離已經足夠接近的原子核可依賴於量子力學來穿過排斥障礙。並不是所有的接近碰撞都會導致量子隧穿,但足夠質子融合成氦-2(也稱為雙質子,即只有兩個質子組成,而沒有中子)。

不幸的是,大部分的這些氦-2原子核會立即衰變為兩個質子。與普通的氦-4相比,氦-2極其不穩定,所以簡單的質子碰撞不會產生穩定的氦。然而,在極少數情況下,氦-2將衰變成氘(氫的一種穩定同位素,比常規氫原子多了個中子),以及一個正電子和中微子。中微子迅速逃離太陽,而正電子與電子碰撞產生伽馬射線。

即便從質子的對撞中產生氘是極其罕見的,氘還是可以在太陽核心中積累起來。通常,氘會與流浪的質子碰撞產生氦-3。氦-3是氦的一種穩定的同位素,而它也可以在太陽核心中積累起來。

因為氦-3擁有兩個質子,使得質子很難與氦-3碰撞產生鋰-4。鋰-4也極其不穩定,所以這樣的反應沒多大用。相反,一個氦-3通常會與另一個氦-3核碰撞產生鈹-6,而鈹-6會很快衰變成氦-4和兩個氫原子核。

太陽中的質子-質子鏈反應


從質子到氘到氦-3到氦-4的這個過程被稱為質子-質子鏈反應(pp鏈反應),這是太陽核心產生能量的主要來源。還有其他核聚變過程也會產生能量,如碳氮氧循環,太陽中有1.7%的氦-4是由此產生的。在較大的恆星中,還有更進一步的核聚變過程,產生更重的元素。然後大質量的恆星爆炸成超新星,拋出這些元素,最後它們構成了後來的我們。

所以事實的確如此,我們都是由星塵組成,但產生星塵需要一些相當複雜的核物理過程。

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  • 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。
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    根據科學家們的判斷,當這個核心區的溫度達到1000萬攝氏度時,便可激發氫的核聚變反應,恆星這於此登上歷史舞臺。這個量子隧穿效應可以看作是太陽內部核聚變的催化劑,使其在較低的「臨界條件」下能夠發生原本很難做到的事,同時也使太陽內核的溫度不致於過高,從而使核聚變的反應不至於失控。簡單地描述太陽內部的核聚變過程,其實主要包含兩種不同的途徑,一個是氫核聚變,另一個是碳氮氧聚變,其中氫核聚變所釋放的能量佔據了產生總能量的80%以上。
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  • 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。
  • 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?
  • 太陽是什麼物質組成的?為什麼會自發產生核聚變反應呢?
    構成太陽的物質並不特殊,佔太陽總質量大約98.2%是氫元素和氦元素(其中以氫元素為主,佔71%左右),而剩下的不到2%的質量,是由氧、碳、鐵、氖、氮、矽、鎂等等元素組成。並且太陽上的物質形態幾乎都是以等離子態出現,這是一種區別於常見的固液氣三態之外的另一態,在宇宙中廣泛存在。而太陽的能量來源,題目中已經提到,是核聚變,那麼這個核聚變又是為何而起呢?為什麼地球、火星、木星等等八星行星不會自發啟動核聚變呢?
  • 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
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    大家都知道,太陽內部每時每刻都在發生著核聚變,在高溫高壓條件下,氫元素中的質子在量子隨穿效應的作用下,有一定機率進行質子-質子鏈式反應,兩個質子首先結合形成氘,然後氘與1個質子聚合形成氦-3,兩個氦-3再進一步聚合形成氦-4,在此鏈式反應中釋放出大量的能量。