【核聚变反应】太阳的核聚变链式反应

2020-04-12 - 核聚变

通过简单的计算可以得到,太阳核心的温度约为300万开尔文(开尔文K为热力学单位,与摄氏度的转换关系为:开氏度 = 摄氏度 273.15)。但实际上太阳核心的温度接近1500万开尔文,并且压力超过地球海平面大气压的3000亿倍。

核聚变反应

在如此高的温度和压力下,氢原子核(质子)相互撞击。但仅让原子核发生碰撞并不足以使它们发生核聚变。氢原子核带正电,所以它们距离越近静电斥力就越大(同性相斥)。原子核之间的静电斥力非常之高,使得大多数碰撞并不能强大到足以克服这个斥力。

核聚变反应

元素周期表

幸运的是,这些原子核不需要克服所有的排斥力。通过一种被称为量子隧穿的效应,那些距离已经足够接近的原子核可依赖于量子力学来穿过排斥障碍。并不是所有的接近碰撞都会导致量子隧穿,但足够质子融合成氦-2(也称为双质子,即只有两个质子组成,而没有中子)。

核聚变反应

不幸的是,大部分的这些氦-2原子核会立即衰变为两个质子。与普通的氦-4相比,氦-2极其不稳定,所以简单的质子碰撞不会产生稳定的氦。然而,在极少数情况下,氦-2将衰变成氘(氢的一种稳定同位素,比常规氢原子多了个中子),以及一个正电子和中微子。中微子迅速逃离太阳,而正电子与电子碰撞产生伽马射线。

即便从质子的对撞中产生氘是极其罕见的,氘还是可以在太阳核心中积累起来。通常,氘会与流浪的质子碰撞产生氦-3。氦-3是氦的一种稳定的同位素,而它也可以在太阳核心中积累起来。

因为氦-3拥有两个质子,使得质子很难与氦-3碰撞产生锂-4。锂-4也极其不稳定,所以这样的反应没多大用。相反,一个氦-3通常会与另一个氦-3核碰撞产生铍-6,而铍-6会很快衰变成氦-4和两个氢原子核。

太阳中的质子-质子链反应

从质子到氘到氦-3到氦-4的这个过程被称为质子-质子链反应(pp链反应),这是太阳核心产生能量的主要来源。还有其他核聚变过程也会产生能量,如碳氮氧循环,太阳中有1.7%的氦-4是由此产生的。在较大的恒星中,还有更进一步的核聚变过程,产生更重的元素。然后大质量的恒星爆炸成超新星,抛出这些元素,最后它们构成了后来的我们。

所以事实的确如此,我们都是由星尘组成,但产生星尘需要一些相当复杂的核物理过程。

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