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天人地 2024-03-24 12:29
我们每天都享受着太阳光的沐浴,现代科学告诉我们,太阳之所以能持续不断地发光发热,就是因为太阳核心一直进行着猛烈的核聚变。
但你知道恒星内部为什么会发生核聚变吗?


你可能会说,恒星质量巨大,其核心的温度压强都非常高,足以引发核聚变。
这种观点也不能说错,但并没有触及问题的本质。拿我们的太阳来讲,核心温度高达1500万度,压强达到2650亿个大气压。在我们看来,这样的环境已经相当恐怖了。但实际上,即便是1500万度的高度,也远达不到核聚变的程度,温度需要达到一亿度以上才可能发生核聚变。


但现实中,太阳确实一直在进行核聚变,为什么会这样呢?
我们需要一起走进原子核内部的秘密。
首先我们从身边最熟悉的能源开始说起。煤石油天然气是最常见的能量来源,这些能量通常都储存在分子内部,还有原子之间的化学键里。在一定温度和氧气的辅助下,原子非常乐意重新组织彼此之间的关系,进而转变为更稳定的分子结构,而在整个过程中,通常会释放能量。
不过,这种释放能量的效率是很低的,平均下来,每个原子的贡献不过几个电子伏特。而这就是我们通常所讲的化学反应,其实效率是很低的。这也是火箭的推动力很难提升的重要原因所在,因为火箭也是使用的化学燃料,效率低下,需要庞大的质量才能获得足够的推动力,但质量又不能过大,否则过大的质量就需要更强大的推力才行,这就需要一个平衡点。
让我们在化学反应的基础上,深入到原子内部,那里有更多奥秘。
原子内部是原子核和电子,原子核由质子和中子组成。理论上分析,把一个电子塞进原子让其原子核结合,其实并不难,只需要几个电子伏特的能量就行了。
但是,如果想把一个质子或者中子塞进已经存在的原子核,就困难多了,需要多达几百万伏特的能量。而这种改变整个原子核结构的力量就是强核力,一种巨大的能量,原子弹和氢弹释放的巨大能量就是强核力。


强核力如此巨大,释放出来的能量效率远超化学燃料能量,这也是为什么如今世界很多国家会加大研发可控核聚变的主要原因。
回到刚才所讲的问题,太阳核心温度高达1500万度,这样的温度并不足以引发核聚变,但现实中太阳确实一直在发生核聚变,这是为什么呢?


在恒星内部,如果密度和温度超过某个阈值,氢原子就会融合成氘,然后是氦3,紧接着是氦4,这个过程会释放出高达2800万电子伏特的能量,是相当可观的。
但是,理论上计算,1500万度的温度根本不会引发核聚变,而太阳之所以能发生核聚变,还要感谢量子世界的一种神奇现象:量子隧穿效应。


量子隧穿,相信很多人都听说过,就类似我们现实世界里的“瞬移”那样,即便能量不足,也可以突破能量不足的限制。
就好比你要翻越一座山,只能从山脚爬到山顶,然后再回到另一个山脚下,你当然不可能从一个山脚直接穿越到另一个山脚。但在量子世界里,你确实可以这么做,并不违反大自然法则,那只是一个概率事件,所需的能量越大,概率越低。
而在太阳内部,理论上分析,能通过量子隧穿效应突破能量限制完成核聚变的几率是很低的,只有10的28次方分之一。
但是考虑到太阳内部拥有多达10的57次方个粒子,每秒钟每个质子会与其他粒子发生多达十亿次的碰撞,因此,每秒钟发生核聚变的质子数量仍旧是十分庞大的,能达到10的38次方的数量!
这里还有一个问题,氢元素消耗完毕之后,更重的元素是如何产生的呢?


有小伙伴会说,氦元素会在高温高压下继续聚变成更重的元素。这样说当然也没有错,只是太笼统太模糊了,并没有具体讲述到底是如何聚变成重元素的。
这里就不得不提到除了量子隧穿效应之外的另一个宇宙奥秘:霍伊尔态。具体是怎么回事呢?下面简单讲述一下。


以恒星核聚变所需要的温度和压强来看,要想让氦4继续聚变,其实是根本不可能的。首先,氦4并不能直接接纳一个质子,这样的原子核并不稳定。同时,两个氦4也不能直接结合,因为8个核子的铍8也同样不稳定,即使能够形成,也会很快衰变回两个氦4.
刚才讲了,恒星核聚变可以通过量子隧穿效应来完成,释放出巨大能量,而这个过程离不开一个前提:核聚变后的总质量小于核聚变之前的总质量。比如说,两个质子和两个中子聚变成氦4,氦4的质量就小于两个质子和两个中子的质量总和。


而两个氦4结合成铍8前后的质量几乎相等,相差只有不到10万电子伏特,因此铍8的生命力很微弱,几乎瞬间会衰变成两个氦4。
物理学家霍伊尔联想到,如果让三个氦4结合,形成的碳12就是一个相当稳定的原子核了。
但理论上的计算结果表明,是三个氦4结合,并不会得到碳12,因为两者之间的质量差太大了,碳12的质量远小于三个氦4的质量和。


霍伊尔大胆提出了一种处于激发态碳12的存在,处于激发态的碳12具有较高的能量,按照质能方程计算,自然拥有更高的质量,与三个氦4的质量总和相对比较接近。


激发态的碳12这种假定状态就是霍伊尔态,后来科学家们证实了该状态的存在,也解释了恒星内部各种重元素的由来。

jjybzxw 2024-03-24 12:49
恒星核聚变的本质是通过高温、高压环境下的量子隧道效应和强核力作用,使得原子核和电子之间发生碰撞并触发核聚变反应。这一过程揭示了两大宇宙奥秘:

1. 量子隧道效应:量子隧道效应是量子力学中的一个独特现象,它表明在微观世界中,粒子的行为与经典物理学中的预期完全不同。在量子隧道效应的作用下,粒子在经过势垒时,即使其能量不足以越过势垒,也有一定概率穿过势垒。这一现象在恒星核聚变过程中起到了关键作用,使得原子核和电子在高温高压环境下能够发生碰撞并触发核聚变反应。这一奥秘揭示了量子世界的神奇和不可预测性。

2. 强核力:强核力是作用在原子核内部的力,它负责将质子和中子束缚在原子核内部。在恒星核聚变过程中,强核力也发挥了重要作用。当原子核和电子之间的距离足够近时,它们之间的作用力将主要由强核力决定。即使在温度不高的情况下,强核力也可以促使原子核发生聚变反应。这一奥秘揭示了自然界中基本力的作用方式和相互之间的关联。

揭秘恒星核聚变的本质,让我们对宇宙的奥秘有了更深入的了解。然而,宇宙的奥秘远不止这些,还有许多未知等待我们去探索。科学家们将继续研究恒星核聚变以及其他宇宙现象,以期揭示更多宇宙的奥秘。

在恒星内部,如太阳,发生核聚变反应的过程是相当复杂的。首先,我们需要了解恒星内部的环境。在太阳的核心,温度高达1500万度,压强也非常高。这样的环境下,原子核和电子之间的距离变得非常小,使得它们之间的相互作用变得非常强烈。

在这个过程中,有两个关键的因素起着重要作用:量子隧道效应和强核力。量子隧道效应是指在量子力学中,粒子在经过势垒时,即使其能量不足以越过势垒,也有一定概率穿过势垒的现象。这意味着,在恒星内部高温高压的环境下,原子核和电子有一定的概率能够克服核聚变所需的高能障碍,发生碰撞并触发核聚变反应。

而强核力是指作用在原子核内部的力,它负责将质子和中子束缚在原子核内部。当原子核和电子之间的距离足够近时,它们之间的作用力将主要由强核力决定。即使在温度不高的情况下,强核力也可以促使原子核发生聚变反应。

此外,恒星内部的原子核和电子之间的碰撞频率非常高,这使得核聚变反应的概率大大增加。在这样的环境下,原子核和电子之间发生碰撞并触发核聚变反应的概率大大增加。

因此,虽然太阳核心的温度仅为1500万度,远低于核聚变所需的温度,但由于量子隧道效应、强核力和电磁力的作用,太阳内部仍然可以发生核聚变反应,从而持续地发光发热。这一过程是宇宙中最常见的能量来源,也是我们地球上生命得以存在的基础。


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