【核聚变是化学反应吗】太阳也是核聚变反应 为什么太阳能够维持稳定而不发生爆炸?

2020-04-12 - 核聚变

其实这是一个很好的问题,很多人都知道太阳和氢弹都是利用的核聚变反应。但是偏偏是氢弹一下子全炸了,但是太阳却可以保持一个温和和稳定的反应趋势。

但这个问题其实很好回答,我们初高中都学过化学反应的过程,要知道,同一个化学反应也有快有慢的,比如:加不加催化剂,就会让化学反应的剧烈程度发生质的变化。虽然核聚变反应是在原子核层面进行的,但是道理其实和化学反应是一样的。

核聚变是化学反应吗

氢弹之所以一下子全炸了,说白了就是引爆氢弹的条件满足了核聚变快速反应的条件,而太阳之所以烧得很慢,说白了就是引发太阳的核聚变反应的条件只能让他达到这个反应速率。那具体是咋回事呢?我们就来具体地聊一聊。

核聚变是化学反应吗

氢弹

首先,我们先从氢弹说起,氢弹的核聚变反应用的是氢原子核的核聚变反应。这里的氘和氚其实是氢元素的同位素,也是质子数为1的元素,反应生成的是氦元素。

那要快速引爆氢弹的条件是什么呢?

核聚变是化学反应吗

科学家发现,要让氢弹引爆的反应条件是1亿度。这个温度对于人类来说是难以企及的温度,为了实现这个温度,科学家利用的办法其实是先引爆一颗原子弹,原子弹爆炸后产生的温度就能达到1亿度,然后利用原子弹产生的高温来引爆氢弹。

太阳的核聚变反应

那我们继续来看看太阳的核聚变反应。实际上,反应原理和氢弹的类似,也就是氢原子核的核聚变反应。一般来说有两条路径,分别称为质子-质子反应链和碳氮氧循环。但本质实际上和氢弹的核聚变是类似的,就是氢原子核核聚变生成氦原子核。

但是,两者的差别就差在了反应条件上了。氢弹的反应条件是1亿度,而太阳内核的温度只有1500万度。要知道,这么大的温度差,使得氢弹的反应速率远远快于太阳的核聚变反应是很正常的。

但同样的,这里也存在着一个矛盾。上文我们也提到了,科学家发现要使氢弹发生核聚变反应至少需要1亿度。但是为什么太阳的内核只有1500万度就可以被点燃呢?

具体来说是这样的,太阳其实处于一种特殊的物质状态。我们常见的物质状态是:固态、液态、气态。

而太阳则是等离子态,这是由于自身的质量巨大,占到了太阳系总质量的99.86%,导致自身引力巨大,引力会使得恒星内核的温度特别高,从而使得电子获得足够多的能量,摆脱了原子核的束缚。所以,太阳内核更像是一锅粒子汤。其中,原子核和电子到处乱串。这无形当中就增加了原子核相撞的概率。但我们要知道的是,原子核是带正电,这是因为原子核是由质子和中子构成的。质子是带正电的,中子是不带电的,因此,原子核是带正电的。

而同种电荷是相互排斥,也就是说,原子核会在静电斥力下被相互排斥,这其实增加了核聚变反应难度,核心问题就是需要克服这个静电斥力,这就需要额外的能量输入。照理说,如果没有外人来给这个系统输入能量,太阳的核聚变反应应该是不会发生。

不过,在微观世界中存在着一种量子效应,被我们称为隧穿效应。意思是说,原本在宏观世界中不可能的事情,或者说需要额外输入能量的事情,在微观世界中就有一定的概率发生。通过统计,科学家就发现,一对原子核每10亿年才发生一次核聚变反应。

照理说,这个概率是特别特别低的,低到几乎不会发生。不仅如此,如果我们仔细观测,就会发现,氢原子核中存在着一个质子,而氦原子核是2个质子和2个中子。这就是说,在这个过程中发生了4个质子转化为了2个质子和中子,也就意味着有2个质子要转变为中子。这其实是需要弱力参与的,而弱力是真的很难,发生的概率也很低。

我们要知道的是,偏偏太阳是足够大,粒子数足够多,因此再小的概率到了这里,都变成了大概率事件。但是由于“隧穿效应”和“弱力”的发生概率都很低,它们控制着核聚变的反应速率。所以,太阳不可能像氢弹那样一下全炸了,而是需要慢慢地烧着。

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