太阳是什么物质组成的?为什么会自发地发生核聚变反应呢?

我们都知道,物质一般来说有三态,固态、气态、液态。

不同的状态其实是粒子之间的距离和化学键有关。就拿最常见的水来说,水的不同状态是由于水分子之间的间距不同,以及是否具有氢键相关。

那么问题来了,太阳是由什么物质构成的呢?为什么太阳不会像氢弹那样一下炸了,而会稳定地发生核聚变反应?

太阳是什么物质组成的?

关于这个问题,我们要先对太阳有个深刻的认识。我们都知道太阳特别大,那太阳到底有多大?这么说吧,太阳占据整个太阳系总质量的99.86%以上,剩余的不到0.14%是其他行星,卫星,小行星和陨石等,而这当中有一半的质量属于木星。由此可见,我们的地球在太阳面前根本就是忽略不计的存在。

事实上,在46亿年前,在太阳系这个位置有一片横跨2光年的分子云,这片分子云后来发生了引力坍缩,在引力的作用下逐渐形成了太阳,剩余的边角碎料才形成了其他的天体。所以,其他的天体质量才会如此的小。

太阳质量巨大就造成一个问题,那就是太阳的内核温度特别高,高达1500万度,200多万个大气压。在这样的状态下,原本的原子结构就没有办法保住,电子由于获得足够多的能量,脱离了原子核的束缚,开始自由地移动,这就像是一锅粒子粥一样。

因此,太阳实际上并不属于三态中的任何一种状态,而是一种叫做等离子态的状态。实际上,除了太阳,或者说除了恒星,宇宙中还有很多等离子态的物质。甚至是宇宙大爆炸早期的状态,也是等离子态,还有我们常见到的“火焰”,其实也是等离子态。

太阳为什么会发生核聚变?

我们都知道要引爆氢弹的温度大概是1亿度,太阳内核温度远远达不到这个水平,那为什么核聚变反应还能发生呢?

太阳会发生核聚变反应其实和等离子态有很大的关系。当太阳处于等离子态时,我们如果有理想的放大镜去看,就会发现其中有很多原子核、电子、光子。由于太阳99%以上的物质都是氢元素和氦元素。因此,太阳内核主要就是氢原子核和氦原子核。而我们知道,氢原子核只有一个质子。

也就是说,太阳内核中存在着大量的质子。由于处于等离子态,因此,这些这次质子就有一定的概率会撞到一起。但是,我们也知道,同性相斥,质子是带正电的。所以,质子之间是互斥的,要撞到一起发生核聚变反应就需要克服库伦斥力。

一般来说,这样的反应在宏观世界当中是不太可能发生的。但是,在微观世界当中存在一种量子效应叫做:隧穿效应。意思是说,即使是不太可能发生的事件,或者说需要输入大量能量才可能发生的事件。在量子世界中,也有一定的概率会发生,只不过这个概率低得可怜。

根据理论计算,我们可以知道,这个概率大概是一对质子发生核聚变大概10亿年才能发生一次。但是,由于太阳内核中粒子数足够多,即使是再小的概率也能发生。因此,太阳的核聚变反应才会被点着。

具体来说是这样的,当一个质子靠近另一质子时,如果此时弱力恰好发挥了作用,就会让一个质子变成不带电的中子,这时候两者就可以结合形成一个氘核。也就是下图中第二个,原子核内有一个质子和中子的原子核。

这其实是太阳内一系列核核聚变反应的第一步,也是条件最苛刻的一步,只要这步可以实现,后面的反应也就都好说了。

不过,就像上文所说的那样,这个事情的概率很低,因此,太阳不会像氢弹那样一下子全炸了,而是缓缓地燃烧着。如今,太阳正处于主序星时期,内核的核聚变反应是氢原子核经过一系列复杂的反应最终生成氦原子核。

所以,太阳发生核聚变和自身的质量或者说引力是有很大的关系,如果没有引力的作用,太阳就不可能成为等离子态,也就更谈不上核聚变了。

太阳整个主序星时期大概要持续100亿年,如今是已经度过了46亿年的时间。再过50亿年后,内核的氢原子核基本上烧得差不多,就开始烧氦原子核了,太阳会膨胀成一颗红巨星,最后成为一颗白矮星。