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同样是核聚变,为什么太阳能燃烧100亿年,氢弹却一下子就炸了?

2021-08-10  魅力科学君

氢弹,迄今为止威力最大的人造物,利用核聚变的原理,氢弹能够在一瞬间释放出非常巨大的能量,可惜的是,氢弹核聚变的速度极快,其能量是以爆炸的方式释放出来的,人类根本就无法控制。

然而我们都知道,太阳的能量来源同样也是核聚变,却能够以一种稳定且温和的方式持续燃烧。

(注:我们说太阳“燃烧”只是为方便讨论,实际上,基于化学反应的燃烧现象与太阳的核聚变有本质上的不同,请大家注意区分)

根据科学家的估算,太阳的这种状态一共可以维持大约100亿年的时间,所以问题就来了,同样是核聚变,为什么太阳能燃烧100亿年,氢弹却一下子就炸了呢?下面我们就来聊一聊这个话题。

为什么氢弹会一下子就炸了?

要点燃核聚变反应,高温是必不可少的条件,氢弹所用的核聚变原料是“氘”和“氚”这两种氢的同位素,在标准大气压下,其发生核聚变反应的条件大概是1亿度(摄氏度,下同)。

为了实现这个温度,人们采用的方法是,在氢弹的外层安装一颗小型原子弹(以核裂变为原理),当其引爆后,就可以产生上亿度的温度,进而使氢弹内部的原料在极短的时间内完成核聚变反应,于是氢弹就一下子就炸了。

为什么太阳不会像氢弹那样炸掉?

可能有人会认为,太阳的核聚变反应只会在其核心区产生,而太阳又那么大,因此太阳只需要将自己的核燃料一点一点地放入核心,就可以稳定燃烧100亿年了,但事实却并非如此。

如上图所示,太阳的核心区的半径大约是太阳半径的4分之1,在这个区域中的核燃料都可以发生核聚变,而位于核心区之外的辐射区,却阻止了太阳外层的物质进入太阳核心区,也就是说,太阳所有的核燃料都在核心区中,并没有“一点一点地放入核燃料”。

据此我们可以推测出,太阳之所以不会炸,应该是因为它核聚变的速度处于某种受控状态,能够以非?;郝乃俣冉?。

是什么在控制太阳核聚变的速度?

太阳核心的核聚变反应主要是“质子-质子链反应”(如下图所示),其基本原料是氢原子核,也就是质子。相对于氢弹所用的“氘”和“氚”,质子发生聚变的条件要高得多,在标准大气压下,需要数十亿甚至上百亿度的高温。

然而太阳核心的温度却只有1500万度左右,这根本就不够啊,那太阳是怎么产生核聚变的呢?是因为太阳核心的压强非常巨大吗?

答案是否定的,虽然太阳核心的压强可以高达标准大气压的大约3000亿倍,但是这也只能让质子的密度大幅度增加,依然无法达到产生核聚变的条件。

由于质子都带正电荷,因此当质子相互靠近时,彼此之间就会产生强大的排斥力,这被称为“库伦势垒”,而质子的动能必须要能够克服“库伦势垒”,才可以彼此碰撞,进而产生核聚变。

温度其实就是微观粒子热运动的集体表现,温度越高,微观粒子的热运动就越激烈,其动能就越高,根据科学家的计算,太阳核心区的质子平均动能约为1000eV(电子伏特),而质子之间的“库伦势垒”却有大约1000000eV。

也就是说,太阳核心区的质子平均动能仅为“库伦势垒”的千分之一,从理论上来讲,这根本就无法克服质子之间的排斥力,核聚变也就无从谈起了。

然而事实却是,太阳似乎无视了这种理论,这是怎么回事呢?其实这个问题曾经让科学家头疼了很久,直到他们发现了“量子隧穿”。

如果把“库伦势垒”比作一个山头,那么在经典物理中,粒子必须要有足够的能量翻越它才可以通过,但在量子物理中,粒子却有一定的概率在“自身的能量不足以翻越这个山头”的情况下直接穿过,这就是“量子隧穿”。

根据量子力学,发生“量子隧穿”的概率非常低,即使在太阳核心区高温高压的环境中,质子也只有大约10^(-20)的概率发生隧穿,这个概率直观点来看,就是1万亿亿分之1。

需要注意的是,就算某个质子通过“量子隧穿”与其它的质子发生了碰撞,也很难发生核聚变,因为在质子碰撞实验中,科学家发现两个撞在一起的质子有超过99.999%的概率不会发生核聚变,它们会重新衰变成两个单独的质子。

总而言之,由于上述的原因,太阳核心区中的质子发生核聚变的概率是非常非常低的,低到什么程度呢?根据科学家的计算,在太阳的核心区,一个质子平均需要几十亿年的时间才能另外的质子发生核聚变。

尽管这个概率低得令人发指,但太阳核心区依然会发生核聚变,原因就是太阳占据了整个太阳系大约99.86%的质量,其中大约有73.46%都是氢,它拥有的质子实在是太多了。

从概率学的角度来看,在相同的条件下,对于某种发生概率不为零的事件而言,只要基数足够大,那么它就必然会发生。

这就好比我们把3枚硬币同时抛出,出现“所有硬币在落地之后全部都是正面朝上”这种情况的概率是很低的,所以一般都不会出现这种情况,但如果我们抛硬币的次数非常多,那么这种情况就必定会多次出现,只不过相对于抛硬币的总次数而言,出现这种情况的次数要少得多。

同样的道理,虽然太阳核心区的质子发生核聚变的概率极低,但由于太阳拥有的质子数量非常巨大,因此在太阳的核心区,随时都有质子在发生核聚变,但相对于质子总量而言,发生核聚变的质子数量微乎其微。

总结

到此我们就可以做个总结了,综上所述,太阳之所以不会像氢弹那样一下子就炸了,其实是因为在极低概率的控制下,太阳的核燃料只能以极为缓慢的速度消耗,而这也是太阳能燃烧100亿年的原因。

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