氢弹想必你一定非常的熟悉,我们都知道它的原理是核聚变反应。
可为什么氢弹是一次性的,一下子全炸了。但同样是利用核聚变才能燃烧的太阳,没有一下子全炸了?
今天,我们就来具体聊一聊这到底是咋回事?
很早以前就有很多人在思考太阳到底是咋燃烧,有人猜是烧煤。后来随着人类对于原子的结构越来越了解,尤其是对原子核及其内部结构的了解,天文学家爱丁顿就猜测,太阳的燃烧机制是核聚变反应 。
但当时的科学家对这种猜测不屑一顾。这是因为当时已经知道太阳内部主要是氢,还有一部分是氦。如果太阳要发生核聚变反应,那就说明太阳正在进行氢核聚变。
问题来了,按照理论,要发生氢核聚变的条件特别苛刻,温度至少要达到一亿度。问题是太阳内核的温度只有1500万度,虽然还有250万个大气压,但这也根本不满足氢核聚变的条件。所以,这一度陷入了僵局。
不过好在,那个年代量子力学得到大力的发展,最终科学家发现了为什么太阳在1500万度,250万个大气压的情况下也能氢核聚变。
这个过程大致是这样,按照目前主流的太阳起源假说,太阳诞生于一大片分子云的引力坍塌。在引力的作用下,分子云聚合成了太阳。
要知道太阳占据整个太阳系总质量的99.86%,所以它自身引力巨大,太阳内核的物质其实受到了巨大的压力,因此太阳内核的温度可以达到1500万度,250万个大气压。
其次,由于微观世界的隧穿效应,意思是:
像电子等微观粒子能够穿入或穿越位势垒的量子行为,尽管位势垒的高度大于粒子的总能量。
说白了就是原来在宏观世界很难做成的事情,比如,翻过一座山,你需要出工出力,否则就过不去,但是在微观世界,即使没有出工出力,也有一定概率发生。
到底是什么阻碍了太阳系内核发生核聚变反应呢?
这里我们要先对太阳的状态有一个了解,它其实是一个等离子体。什么是等离子体呢?我们都知道物质是由分子,原子构成的。但其实原子还是可以继续往下分。
由于太阳温度极其高,导致构成原子的电子不在被束缚在原子内,电子和原子核可以到处乱撞,就像一锅粒子粥。等离子态并不是液态,它区别于三态的相态。
上文也说到太阳含氢量最高,还有一部分氦,剩余的元素极其少。这就带来一个问题,太阳内部主要是电子和氢原子核(质子),也就是说太阳主要是一锅电子和质子的粒子粥。
核聚变反应说白了就是要让原子核之间发生反应,氢核聚变其实就是质子和质子之间要发生反应。但是质子是带正电同性电荷相斥,这个库伦力就是阻碍太阳发生核聚变的主要原因。
正是隧穿效应的存在,使得一对质子发生核聚变的概率大概是十亿年能发生一次。这个概率看起来很低,可是太阳够大,质子数量特别多,所以发生核聚变反应是必然的。
当核聚变反应被点燃之后,就会产生一个对外的压力,这个压力可以和引力形成动态平衡。
具体来说是这样的,当对外压力占据上风时,内核受到的压力就会减弱,温度和压强就会下降,这时候核聚变的剧烈程度就会被削弱,对外压力减弱,逐渐和引力实现再一次平衡。
同理,如果引力占据上风,太阳内核温度和压强就会特别高,这时候就会使得核聚变变得剧烈,产生更大的对外压力来和引力抗衡。
不过,刚才我们这是宏观地来看,从微观上看,温度变高会使得分子的运动更加剧烈,压强变大的效果也是类似的,本质上温度高和压强大,都会提高粒子相遇的概率,也就是提高发生反应的概率,宏观上就是使得反应变得剧烈。
所以,太阳没有一下子全炸了的原因,首先是因为温度和压强不够,在微观上是因为库伦斥力的阻碍。而量子隧穿效应只能使得核聚变反应只能缓慢进行。
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