太阳那么高强度燃烧为什么不会爆炸?

核聚变

想要搞清楚太阳的燃烧,其实我们需要弄懂太阳核心发生的到底是什么反应?

事实上,太阳的核心是在发生核聚变,但这种核聚变和我们说到的氢弹一样么?实际上,是有点不同的。

氢弹的原理一般来说就是一个氘核和一个氚核发生反应,生成一个氦-4并和一个中子,释放大量能量的过程。问题就来了,氢弹是一下全炸了,而太阳并没有,究竟是咋回事呢?

这要从氢弹说起,很多人都知道氢弹是核聚变。但实际上,氢弹并不是单纯的核聚变反应。这是因为要引爆氢弹是一件特别困难的事情,反应温度要达到1亿K(K:温度单位),所以纯粹核聚变很难点着。这就需要用到原子弹,先让原子弹爆掉,产生高温,以满足核聚变的条件,引爆氢弹。当然,现在氢弹是个汉堡包,有三层,引爆核聚变,在外面再加一层原子弹。但不管怎么说,引燃核聚变总归需要温度达到才行。

不符合核聚变条件的内核

所以,如果太阳内部要发生类似于氢弹那样剧烈的核聚变反应,这就得要求太阳核心的温度得达到1亿度。可事实上,太阳内核并没有那么热,温度是1500万K(K:温度单位),压强是250百万个大气压。远远达不到发生核聚变反应的条件。照理说,如果是这样,太阳根本点不着。

不过,我们可以进入微观世界,重新审视太阳核心。太阳内部其实并不属于三态中的任何一态,而是处于等离子态。

这种状态下,电子和原子核都在到处跑,实际上根本没有原子。

而核聚变说白了就是要让原子核,在太阳内部就是氢原子核(也就是质子)之间发生核聚变。但我们要知道的是质子可是带正电的,质子和质子之前同性相斥,也就是说阻拦它们的其实是库仑力。

所以,想要促使核反应进行其实很难,因为要克服的库仑力,理论上太阳内部的温度和压强是无法满足反应条件的。但是,这是微观世界,跟我们宏观世界根本不是一码事,它们常常不按套路出牌,这里就是这样,在微观世界中,存在一种叫做隧穿效应的东西。

说的直白点就是,在宏观世界,你要爬过一座山,就得翻过去,克服势能壁垒。但是,在微观世界中,就有一点的概率从山底下穿过去。

也就是说,反应条件达不到也有一定的概率会实现。其实,不难理解,我们再回溯一下太阳内核各个粒子间的状态,其实就是跑来跑去。所以,有一定概率会出现质子撞上质子,然后发生反应,只是概率很低而已。

科学家估算过,太阳内部的一个质子和质子撞上发生反应大概平均要10亿年才能发生。但是,太阳很大,它的质量占据整个太阳系99.86%的质量。所以,内部的粒子特别特别多,叠加起来,这种低概率事件,也就不算很低概率了,也就能把太阳点着了。

但是,由于库伦斥力的存在,这就会让太阳不至于反应得特别快就像氢弹那样,相反会让太阳慢慢烧着,这其实也是太阳之所以可以持续释放能量的一个底层原因。

质子和质子发生反应之后,会生成氘核,但是这并不是完整的,后面还有3个解决,氘核和氘核还会生成氦-3核,氦-3核和氦-3核之间再发生生成氦-4。所以,太阳内部主要的核聚变机制是氢核核聚变最终生成氦-4的过程,这也被我们成为质子-质子反应链(其实还有一种叫做碳氮氧循环,只是它并不是太阳内部的主要机制。)

在这个反应中,其实只有第一步最难点着,一旦点着了,后面的也就简单了。

所以,让太阳不会一下子全炸了的主要原因就是质子和质子之间的库伦斥力,这只能依靠隧穿效应才能点燃,但是隧穿效应发生的概率极其低,这使得太阳只能循序渐进地进行反应,而不能一下子直接把整个内核的氢核聚变成氦-4。