| 天人地 | 2024-03-24 12:29 |
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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？  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。  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。  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？  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。  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？  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。  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。  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。   |
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