太阳到底使用了什么当燃料,为什么可以燃烧46亿年而不灭?
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”。
如上图所示,“质子-质子链反应”可以简单地分为三步,第一步是两个质子聚合成一个氘原子核,第二步是一个氘原子核和一个质子聚合成一个氦-3原子核,第三步是两个氦-3原子核聚合成一个氦-4原子核。
但问题是,太阳核心反应区的半径占据了太阳半径的大约4分之1,从理论上来讲,这片区域中的任一位置应该都具备了发生“质子-质子链反应”的条件,在这种情况下,太阳核心反应区中的质子就应该在极短时间内就全部发生核聚变,并释放出巨大的能量,换句话来讲就是,太阳应该像氢弹一样瞬间就炸了。
很明显,这样的事情并没有发生,否则的话,太阳也就不可能燃烧46亿年而不灭了,这是为什么呢?其实这是可以解释的。
关键就在于“质子-质子链反应”的第一步,也就是两个质子聚合成一个氘原子核,因为质子都是带正电的,所以在质子和质子之间存在着强大的斥力,想要克服这种斥力,质子就必须具备足够快的速度。
由于温度就是指微观粒子热运动的激烈程度,因此我们可以认为,必须在足够高的温度下,两个质子才可能会发生碰撞,需要多高的温度呢?科学家给出的答案是:至少是上亿摄氏度。
然而太阳核心区域的温度却只有1500万摄氏度左右,这样的温度根本就无法让两个质子发生碰撞,既然如此,为什么太阳还会燃烧呢?实际上,这个问题曾经困扰了科学家很长一段时间,直到“量子隧穿效应”的发现。
简而言之,“量子隧穿效应”就是指在能量不足的情况下,微观粒子仍然有极低的概率穿过在经典力学中不可能穿过的屏障,所以这也被人们戏称为“微观世界中的穿墙术”。
需要指出的是,“量子隧穿效应”可以通过微观粒子的“波粒二象性”和量子力学中的“能量-时间不确定性原理”来进行解释,除此之外,“量子隧穿效应”也早已在实验中得到证实,并且还得到了一定的应用,比如说用于观察和定位原子的“扫描隧道显微镜”其实就是利用了“量子隧穿效应”,因此可以说,这种现象是真实存在的。
另一方面来讲,当两个质子碰撞在一起的时候,它们就形成了一个“双质子”,而“双质子”又非常不稳定,科学家发现,在极短的时间内(小于1纳秒),“双质子”就有99.999%以上的概率会重新衰变成两个质子,只有在极小的概率下,“双质子”中的一个质子才会因为发生β衰变而成为中子,进而使“双质子”转变成包含一个质子和一个中子的氘原子核。
科学家认为,“量子隧穿效应”发生的概率原本就已经极低了,在此基础上,再加上“双质子”的衰变问题,“质子-质子链反应”的第一步发生的概率简直就是微乎其微了,正是因为如此,太阳才能够以极为缓慢的速度消耗自己核心反应区的“核燃料”,进而持续稳定地燃烧。
太阳不是在燃烧,是在进行核聚变。核聚变是宇宙当中普遍存在的一种物理变化,太阳内部核心区域的温度以及压力都很高,高温、高压的条件下,才可以发生核聚变反应。
这里有一个误区,实际上太阳并不是在燃烧,而是在不断发生核聚变,太阳的主要成分是氢和氦,太阳内部的高温高压条件支持着太阳不断发生核聚变,从它诞生一直至今。
这是因为太阳不停的进行核聚变,所以才会导致这种情况,而且太阳的质量也是非常大的。
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