同樣是核聚變,為什麼太陽可以燃燒45億年,而氫彈一下子全炸了?

核聚變反應

我們都知道,氫彈之所以有這麼威力是因為氫彈利用的是核聚變反應,反應前後有一部分質量的損失,這部分質量以能量的形式釋放出來。

同樣是核聚變,為什麼太陽可以燃燒45億年,而氫彈一下子全炸了?

通過愛因斯坦質能等價E=mc^2,我們知道,即使損失的質量很小,乘以光速的平方(光速c=3*10^8),也是很大的一個數字。因此,氫彈的威力巨大。

同樣是核聚變,為什麼太陽可以燃燒45億年,而氫彈一下子全炸了?

太陽之所以可以持續地燃燒,也是因為氫原子核的核聚變反應。但是你想過沒有,為什麼同樣是利用氫原子的核聚變反應,氫彈炸得渣都不剩,而太陽卻可以持續燃燒,逐漸地釋放能量?

同樣是核聚變,為什麼太陽可以燃燒45億年,而氫彈一下子全炸了?

今天,我們就來聊一聊這個話題。

太陽為什麼持續燃燒?

首先,我們知道的是,氫彈之所以一下子全炸了,很大的原因是我們直接達到了氫彈的引爆條件,也就是溫度達到1億度。但是用常規手段是很難做到這一點的,科學家用的辦法是先引爆一顆原子彈,利用原子彈來達到這個溫度要求,從而引爆氫彈。

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如果我們仔細查找一下太陽的數據,就會發現,太陽的表面只有5500度,而太陽的核心是1500萬度,內部壓強大概是200多萬個大氣壓。

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但是這並不滿足引爆氫彈的條件,或者我們說這個條件並不能直接觸發氫原子的核聚變反應。那就很奇怪了,那太陽到底是如何被引爆的?

這裡就要從太陽的質量說起,太陽是太陽系絕對的霸主,這個霸主的地位超乎一般人的想象,整個太陽系99.86%以上的質量都在太陽這裡。這就使得太陽的引力十分巨大。引力使得太陽內部的溫度升高,物質狀態呈現等離子態。所謂的等離子態是指電子獲得了足夠大的能量,最終擺脫了原子核的束縛。因此,構成太陽的物質不是我們常見的三態,而是原子核,電子,光子等構成的像一鍋粒子粥一樣的狀態。

同樣是核聚變,為什麼太陽可以燃燒45億年,而氫彈一下子全炸了?

核聚變反應說白了就是原子核之間的融合。構成太陽的物質主要是氫原子和氦原子。但是要引發氦原子發生核聚變反應的條件遠比氫原子核聚變反應的條件要苛刻得多,大概是2億度作用。因此,其實一般恆星都是先燒氫原子核。

那具體咋燒的呢?我們得來看看阻礙太陽發生核聚變反應的絆腳石是什麼?

其實這個東西叫做靜電斥力。我們知道同種電荷相排斥,氫原子核(質子)都是帶正電的,會相互排斥,要讓它們融合,就必須提供足夠充足的能量。照理說,太陽內核1500萬度,200多個大氣壓是不夠的。但是微觀世界中存在著量子隧穿效應,就是在微觀世界中即使是需要能量才能完成的反應,不輸入能量也有極低的概率會發生。一堆氫原子核要發生核融合,大概10億年左右會發生一次。並不只是氫原子核融合了就可以核聚變反應,這裡還需要弱相互作用的幫助,它可以把一個質子轉化成一箇中子,這個概率同樣是低得可憐。

雖然概率極其低,但是我們上文也說到,太陽足夠大,以至於再低的概率都可以發生。這才能夠引發氫原子核的核聚變反應。不過,由於這兩個事件的存在,因此,太陽不能像氫彈那樣一下子全炸了,而是慢慢地釋放能量。這個過程其實有兩條路徑,一條叫做質子-質子反應鏈。

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另外一條叫做碳氮氧循環,其中碳氮氧充當的是催化劑的作用。

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太陽幾乎沒有碳氮氧循環,基本上全是質子-質子反應鏈,是否會引發碳氮氧循環其實要看是恆星的質量。

同樣是核聚變,為什麼太陽可以燃燒45億年,而氫彈一下子全炸了?

但兩個反應都是4個氫原子核最終合成為一個氦-4原子核。反應前後會損失一部分質量,這部分質量以能量的形式釋放出來。

而我們在回過頭來看這個問題,其實在這個過程中,有一個因素起到了決定性的作用,這就是引力。當太陽內核引發核聚變反應時,其實會產生一個向外的壓力,而正是因為有引力的存在,制約了這個壓力,兩者形成了動態的平衡,維繫住了整個不會崩塌。如果引力大了,會擠壓內核,這時候內核的核反應強度就增加,產生更大的對外壓力進行抗衡;如果核反應占了上風,這時候引力對於內核的擠壓就會減輕,核聚變反應的強度就會減弱。

同樣是核聚變,為什麼太陽可以燃燒45億年,而氫彈一下子全炸了?

換句話說,我們從宏觀的視角來看,維持住太陽不會像氫彈那樣一下子全炸了的原因是引力的制約。

總結

從微觀世界來看,太陽能夠引發核聚變反應其實是因為量子隧穿效應和弱力共同作用的結果,正是因為它們發生的概率極低,也使得太陽不會一下子全炸了。但這個問題我們還可以從宏觀視角來理解,引力制約了核聚變,或者說核聚變產生的對外壓力和引力形成了動態平衡,使得太陽不會像氫彈那樣炸得渣都不剩。


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