太阳究竟使用什么当燃料,为什么燃烧了46亿年还没烧完?
随着天文望远镜的发明,人类第一次真正看到了宇宙,对于太阳也有了更加深入的了解,知道太阳是一颗恒星,地球围绕着太阳公转等。
而且对于地球来说,太阳还是一个不可或缺的存在,是地球能量的来源。
根据科学家推测,太阳自诞生起,到现在已经持续向外释放光和热46亿年,但是太阳为什么不像蜡烛那样会熄灭呢?
它怎么会有这么多的燃料?它什么时候会耗尽燃料呢?事实上,这些都是假象。
我们传统的认知里,燃烧必须得符合两个条件,氧气和可燃物,两者缺一不可,而是在太空是没有氧气的,但太阳却已经在太空当中燃烧了几十亿年,这明显就不对啊!
其实准确来说,太阳并不是在燃烧,而是在进行核聚变,我们日常中理解的燃烧是一种化学变化,但核聚变是一种物理变化,两者是完全是不同的。
太阳不是在燃烧,所以不会熄灭。
核聚变是宇宙当中普遍存在的一种物理变化,是指较轻原子核互相结合,形成一个重原子核的过程,氢弹就是利用的这个原理。
众所周知,太阳质量的73%都是氢,剩下的基本上都是氦元素和一些其他重元素,而且在太阳内部核心区域的温度以及压力都很高,温度可能达到了一千五百万度,受到的压力相当于2500亿个标准大气压,正是在这样的高温、高压的条件下,太阳才可以发生核聚变反应。
简单来讲,太阳内部的核聚变反应就是把4个氢原子聚变成为1个氦原子并释放出能量的一个过程。根据爱因斯坦的质能方程式 E=mc^2,可以得到核聚变反应产生的能量是普通化学反应释放的能量的2000万倍。
换句话来说的话,1千克氢原子核聚变成为氦原子释放的能量,相当于燃烧4000吨石油或6000吨煤炭释放的能量,很显然,核聚变反应是可以释放巨大能量,而我们的太阳也就是利用这种物理反应产生的光和热。
根据计算,太阳核心区域每秒会有6亿吨的氢元素发生核聚变反应,其中会有400万吨的氢元素完全转化为能量释放,这个数据在我们看来实在是非常巨大的。
不过对于太阳来说,实在是太过于微不足道,太阳的质量是大约地球的33万倍,体积大约是地球的130万倍,即使太阳已经燃烧了46亿年,但太阳消耗的总质量才只有0.03%。
太阳的最终结局是什么?根据科学家对宇宙中天体的观察,认为恒星最终的结局有三种,而决定恒星生命结局的就是其质量,比如说体积小的恒星最后会变成白矮星,顾名思义,白矮星就是发出白光、体积较小的天体,目前银河系中观察到的白矮星大约有488颗。
而一些较大的恒星最终会变成中子星,中子星的密度是非常大的,在宇宙中仅次于黑洞;最后超大质量的恒星最终会演化成迄今为止宇宙中最神秘的天体——黑洞。
由于太阳体积和质量相对来说较小,所以它最终可能会变成一颗白矮星。太阳目前是处于恒星演化过程中的主序星阶段。
其实恒星一生中的大部分时间都是处于主序星阶段,然后经过不断地变大膨胀,成为红巨星,由于恒星内部的核聚变反应,中心部位变为氦核。
最终,氢原子的聚变反应将向外层移动,这时恒星的重力和辐射能之间需要一个平衡,但核聚变在恒星外层发生的话,辐射能会逐渐强于重力,然后太阳将不断膨胀,表面温度不断下降,逐渐变得更亮,直至变成一颗白矮星,走到了生命的尽头……
说到这里,可能有人就要担心,当太阳走到生命尽头的时候,那人类该怎么办?其实这种担心完全是没有必要的,因为太阳还得再过50亿年左右的时间才会走向灭亡,所以留给人类发展的时间非常充足,未来科技发展的可能性是无限大的。
太阳是生命之源,没有太阳,地球上就不会存在生命。植物利用光合作用自给自足,然后才有食草动物以及食肉动物。煤炭石油,这些化石燃料就是由远古植物的残骸形成的,太阳的能量就是这样被植物固定了下来,然后被人类发现、利用。
太阳燃烧着自己,照亮了周围的星空。地球上的大部分能量都来自于太阳的辐射。太阳每秒钟大约辐射3.9×10∧26焦耳的能量,而地球上每秒钟大约会接收到7.3×10∧17焦耳的能量,这仅占太阳辐射总能量的20亿分之一。这些到达地球的太阳辐射,其中只有1/10000能被人类利用。因此,人类所使用的能量仅占太阳总辐射能量的20万亿分之一。
太阳一秒钟辐射出的能量就够人类消耗一年。所以说,太阳辐射出的总能量是非常惊人的。
伟大的科学家爱因斯坦在上世纪初曾经提出了一个非常著名的公式——质能方程,即E=MC^2。根据该公式可知,若太阳一直保持这样的辐射强度,每秒需要消耗420万吨质量的物质。正是如此巨大的消耗,才使得太阳能够保持这样高强度的辐射。
地球的寿命为45.7亿年,而太阳的寿命大约为46亿年。燃烧了40多亿年,太阳为什么还没烧完呢?
要想弄清楚这个问题,首先要搞明白,太阳是如何燃烧的?
人类对太阳的认识,几乎全部源于最近100年的研究。我们常常说太阳在燃烧,实际上是太阳内部在进行核聚变反应,这与日常生活中的燃烧现象截然不同,生活中的燃烧现象是一种化学反应,更准确点说是化学反应中的氧化反应。现在科学家正在试图掌握人工核聚变技术,形象点来说就是在地球上造“人造小太阳”。
太阳是位于太阳系中心的一颗恒星,其质量为2.0×10^27吨,大约是地球质量的33万倍,占整个太阳系物质的总质量的99.86%。太阳之所以会燃烧,就是因为它的质量极其的大。质量大,引力也就特别强。核聚变的发生条件就是高温高压。在自身重力的作用下,太阳内部的温度和压力极高,温度至少在1500万摄氏度。
太阳主要由氢和氦构成,现阶段氢元素占太阳质量的四分之三,剩下的几乎都是氦,还有不到2%的其它元素。太阳能够燃烧100亿年,现阶段太阳已经进入了中年时期,在几十亿年前太阳内部的氢占比更多。木星这颗气态巨行星的组成成分就与太阳非常相似,也主要是由氢和氦构成的。如果木星的质量再增加大约90倍,木星内部也能够引发核聚变,从而成为一颗恒星。
现阶段,太阳内部进行的是氢聚变为氦的反应 ,即4个氢原子核聚合生成氦-4原子核。对于太阳这样的中低质量恒星,氢聚变为氦主要是通过质子-质子链反应来完成的,每一次反应大约能够释放4.2×10^-12焦耳的能量。此外,太阳内部还会通过碳氮氧循环这种机制产生能量。
太阳每秒消耗420万吨的物质,这些物质以光等形式辐射到了宇宙空间中。在这40多亿年里,太阳大约损失了100个地球的质量。然而,这仅占太阳总质量的0.03%。因此,并不会对太阳造成什么太大的影响,也很难削弱太阳的引力。
太阳能够燃烧这么久,除了质量大,还在于燃烧过程十分稳定,可以稳定地输出辐射。
那么,在40多亿年的时间里,太阳又为什么燃烧的这么稳定?
众所周知,氢弹就是失控的核聚变。太阳之所以没有爆炸,是因为太阳内部核聚变反应产生的辐射压和引力形成了动态平衡。
太阳内部的核聚变反应和氢弹还是有区别的。要想在地球上实现人工核聚变,至少要达到上亿度的温度。由于太阳核心处的温度不够高,因此太阳内部的核聚变反应利用到了量子隧穿效应。量子隧穿效应发生在微观世界中,所谓的量子隧穿就是即便能量不足,反应也有一定的概率会发生,只不过发生的概率极小。
太阳的个头非常大,参与反应的粒子数量极多。所以,即便发生反应的概率很低,在非凡的体量面前,也能够发生核聚变反应,释放出巨大的能量。太阳能够燃烧的这么缓慢而稳定,正是因为是其内部的核反应需要依靠量子隧穿效应。
这就是太阳能够长期稳定地发光发热的原因。
不过太阳内部的核聚变反应也并非恒久不变。从太阳诞生,在这40多亿年的时间里,太阳的亮度已经比最初的时候增强了30%。根据科学家的预测,未来太阳将会燃烧得更猛烈,太阳的辐射强度也会增强。当内部的氢燃烧殆尽后,太阳的体积将会成倍膨胀,演变成为一颗红巨星。
地球上的生物能够一直存活下去是需要能量的,而由于地球内部有厚厚的岩石层,因此,地心的能量无法传导到地球表面。地球上的生物主要依靠太阳辐射的能量。举个例子,以植物为基础的食物链,植物通过光合作用固定太阳能,然后通过食物链一步步传导到顶级掠食者。
恰好太阳是非常稳定的能量源,时时刻刻都在向外辐射稳定的能量,这才使得地球的生物可以一直存活下去。那么问题来了,太阳是如何稳定地保持着持续不断的能量输出的呢?
太阳为什么能发生核聚变反应?话说在138亿年前,宇宙诞生于一次大爆炸。宇宙大爆炸之后,逐渐形成了质子、中子、电子等粒子。到了宇宙大爆炸之后的38万年,原子结构得以形成。此时,宇宙中绝大多数的元素是氢元素,占比达到75%。剩余的几乎都是氦元素,其他的元素占比极其少,连1%都不到。
即便到了现在,氢元素和氦元素的比重依旧占到了99%。因此,宇宙的恒星几乎都是由氢元素和氦元素构成的。不过,恒星实际上和其他天体有点不同,它们的质量很大。举个例子,太阳是太阳系唯一的恒星,它的质量占到了整个太阳系总质量的99.86%。
由于太阳的质量巨大,因此,太阳的引力就会非常大。太阳的引力会挤压自身,如果没有任何力与其抗衡,那么太阳就应该被压成一个点。那事实上并没有如此,这是因为在挤压过程中,太阳内核的温度会持续升高。不过,这温度实际上达不到核聚变反应的温度。那太阳内核为何还能进行核聚变反应呢?
在微观世界中,存在着一种叫做量子隧穿效应的现象。意思是说,原本需要足够大能量才能实现的反应,在微观世界中也有一定的概率会发生,只不过这个概率非常低。因此,在地球上这个反应没有发生,但是要知道太阳的质量可是地球的33万倍,粒子数远远多于地球。因此,在如此巨大的基数面前,这个反应就得以进行。
不过由于量子隧穿效应的存在,因此太阳的核聚变反应不会像氢弹快速地进行,也就不会一下子全炸了,而是慢慢地反应,慢慢地释放能量。
那太阳内核的核聚变反应是如何进行的呢?
太阳的核聚变反应由于太阳内核的温度可以达到1500万度,此时原子中的电子可以获得足够多的能量,而摆脱原子核的束缚,成为自由电子,太阳内的物质状态处于等离子态。
其中有大量的氢原子核,氦原子核,电子和光子等粒子。一对氢原子核相遇时,由于原子核都是带正电的,根据同种电荷相排斥的原理,氢原子核之间应该会因为静电斥力而相互远离。但是在弱力的作用下,就有一定的概率使得其中的一个氢原子核(质子)反应生成中子,然后两者结合在一起成为氘核,也就是原子核内有一个质子和一个中子,这是第一个阶段的反应,也是最难发生的。整个反应分成3个阶段,最终的结果其实是4个氢原子核(质子)反应生成氦-4原子核。
在反应的过程中,反应前后会有质量的损失,这部分质量的损失会以能量的形式释放出来。我们可以通过爱因斯坦的质能方程E=mc^2来计算能量大小,其中c是光速3*10^8m/s,E是释放的能量,m是损失的质量。
通过质能方程,我们就可以知道,即便是损失的质量很小,乘以光速的平方也是一个巨大的数字。所以,太阳能够稳定输出能量。而核聚变能够产生对外的压力,这个压力可以和太阳自身的引力形成动态平衡,引力使得核聚变反应不会特别剧烈,反过来核聚变产生的对外压力使得引力不能把太阳压成一个点。
实际上,人类对于太阳能的使用是十分低效的,地球每秒钟接收到的太阳辐射能量只占太阳每秒钟向外辐射的总能量的22亿分之一,而这部分被地球接收的能量只有万分之一是被人类所使用的,也就会说,人类使用的太阳能只占太阳辐射总能量的22万亿分之一。
因为太阳使用氢氧元素当燃料,不断进行核聚变,而且太阳的体积非常大,所以燃烧了46亿年还没烧完。
宇宙中存在最多的元素就是氢元素和氦元素了 。太阳使用氢氧元素当燃料,并且无时无刻不断进行核聚变,太阳的体积非常大,所以燃烧了46亿年还没烧完。
太阳燃烧的燃料来源就在燃烧的原料与原子弹类似,还相当于一个链式反应,永无止境,总能在短时间内释放大量能量,能量巨大。
答:太阳已经燃烧了几十亿年,究竟是使用了核聚变反应的“燃料”,太阳的质量占整个太阳系质量的99.84%,也就是说整个太阳系其他天体的质量只有太阳的千分之一。可以说,太阳是整个太阳系当之无愧的主宰,正是因为它的超大质量,太阳系中的天体才能受到引力的束缚。1.太阳不会像氢弹那样发生核聚变反应。氢...
答:太阳的能量来自其核心的核聚变反应,而它使用的“核燃料”就是宇宙中丰度最高、结构最简单的氢元素。科学家认为,在太阳的核心反应区,氢原子核会通过一系列的反应不断地聚变成氦原子核,并因为质量出现亏损而释放出能量,由于氢原子核其实就是一个质子,所以这一系列的反应就被称为“质子-质子链反应...
答:由于太阳的质量巨大,因此,太阳的引力就会非常大。太阳的引力会挤压自身,如果没有任何力与其抗衡,那么太阳就应该被压成一个点。那事实上并没有如此,这是因为在挤压过程中,太阳内核的温度会持续升高。不过,这温度实际上达不到核聚变反应的温度。那太阳内核为何还能进行核聚变反应呢?在微观世界中,存...
答:其实准确来说,太阳并不是在燃烧,而是在进行核聚变,我们日常中理解的燃烧是一种化学变化,但核聚变是一种物理变化,两者是完全是不同的。太阳不是在燃烧,所以不会熄灭。核聚变是宇宙当中普遍存在的一种物理变化,是指较轻原子核互相结合,形成一个重原子核的过程,氢弹就是利用的这个原理。众所周知...
答:核聚变集中在核心区,只有在核心区,才有足够的压力和温度使核聚变进行,所以太阳的物质可以燃烧100多亿年。虽然太阳的体积足够大、所含的核聚变材料足够多,但是随着核聚变进行大量能量损失引力减小,最终会使太阳膨胀成为红巨星,进而发展为白矮星。也就是说太阳并不是永不熄灭的,只是能够稳定存在数十亿...
答:当所有氢气燃烧殆尽后,恒星继续燃烧氦气,它们聚合形成碳。氦聚变的强大的能量将因为远远超过引力控制使得恒星无休止的膨胀下去,恒星也将完全瓦解。由于太阳的质量太小,引力无法引发比氦元素更重的碳元素的核聚变,因此太阳只能忍受塌缩,最终太阳的内核演变成一颗与地球大小相当,但密度比地球大100万倍的...
答:太阳的能量来源于其内部的核聚变反应,其中氢是主要的燃料。这种反应不断在太阳内部发生,释放出光和热。尽管人类早期曾猜测太阳可能像煤炭一样燃烧,但这种假设很快被证明不成立。即使太阳内部充满煤炭,这些煤炭也只能支持太阳燃烧大约5000年,远远不足以解释太阳已经燃烧了46亿年的事实。太阳实际上是通过...
答:太阳是通过核聚变原理来燃烧的,太阳内部有许多的可转换的氢原子,它们聚变成氦原子,就是一个大氢弹。火箭是在弹体内加注燃料和液氧(或其他氧化剂),在发动机的燃烧室里燃烧,产生大量高压燃气;高压燃气从发动机喷管高速喷出,所产生的对燃烧室(也就是对火箭)的反作用力,就使火箭沿燃气喷射的反方向...
答:实际上,地球上所有的燃烧现象就是一种化学反应,燃烧之后会有新物质出现,如果要想产生燃烧这种化学反应,必须具备三个条件,分别是燃料、燃点(火源)和氧气,其中氧气是不可缺少的一点。如果一个地方没有氧气的存在,那么点燃的火苗也会在一瞬间熄灭,而古代的盗墓人也正是凭借这一点来判断墓室里到底...
答:太阳是通过核聚变原理来燃烧的,太阳内部有许多的可转换的氢原子,它们聚变成氦原子,就是一个大氢弹。火箭是在弹体内加注燃料和液氧(或其他氧化剂),在发动机的燃烧室里燃烧,产生大量高压燃气;高压燃气从发动机喷管高速喷出,所产生的对燃烧室(也就是对火箭)的反作用力,就使火箭沿燃气喷射的反方向...