氫聚變產(chǎn)生無(wú)窮多能量 為什么太陽(yáng)不會(huì)燃燒殆盡?
作者: 科普中國(guó)-科學(xué)原理一點(diǎn)通  2016-10-09 15:04:01
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知識(shí)點(diǎn):支持太陽(yáng)這個(gè)“大火球”燃燒的氫元素。只是太陽(yáng)所使用的燃燒方式與我們平常與氧氣反應(yīng)生成水的這種化學(xué)燃燒不同,太陽(yáng)使用的是氫聚變產(chǎn)生的能量。氫“燃燒”的總效果是4個(gè)氫原子核合成一個(gè)氦原子核,在反應(yīng)中,1個(gè)氦原子核比4個(gè)氫原子核要輕一些(約0.7%)。由愛(ài)因斯坦的質(zhì)能方程——E=mc2,這一點(diǎn)很小的質(zhì)量變化,轉(zhuǎn)化為巨大的能量,釋放出來(lái)。有十分之一的太陽(yáng)質(zhì)量的氫原子參與核反應(yīng),就能釋放1.28×1044J能量,可以提供給太陽(yáng)100億年的壽命。


太陽(yáng)是目前地球天空中最亮的天體,也是地球上幾乎所有能量的來(lái)源。在太陽(yáng)系中,太陽(yáng)是最大的天體,其質(zhì)量占太陽(yáng)系總質(zhì)量的99.865 %。其半徑是地球的109倍,體積是地球的130萬(wàn)倍,其質(zhì)量是地球質(zhì)量的33萬(wàn)多倍。

日常經(jīng)驗(yàn)告訴我們,熱的東西會(huì)發(fā)光。太陽(yáng)表面溫度約6000度。因此每秒鐘向外輻射3.845×1026焦耳的能量,這些能量可以將9.2×1017噸水從0°燒開(kāi)。

但是如果太陽(yáng)是個(gè)燃燒的大煤球,那么他至多只能燃燒4757年,太陽(yáng)就將燃燒殆盡。這個(gè)時(shí)間對(duì)于人類文明都顯得太短了。但是太陽(yáng)已經(jīng)發(fā)光發(fā)熱了幾十億年,那么太陽(yáng)是靠什么來(lái)發(fā)光發(fā)熱的呢?支持太陽(yáng)這個(gè)“大火球”燃燒的,并不是什么“神秘物質(zhì)”,而是非常常見(jiàn)的元素——?dú)。只是太?yáng)所使用的燃燒方式與我們平常與氧氣反應(yīng)生成水的這種化學(xué)燃燒不同,太陽(yáng)使用的是氫聚變產(chǎn)生的能量。

在太陽(yáng)中心區(qū)的高溫條件下,發(fā)生氫聚合成氦的熱核反應(yīng),這個(gè)反應(yīng)類似于威力強(qiáng)大的氫彈爆炸。不過(guò)在太陽(yáng)巨大的引力控制下,這種熱核反應(yīng)并不會(huì)把太陽(yáng)炸飛。氫“燃燒”的總效果是4個(gè)氫原子核合成一個(gè)氦原子核,在反應(yīng)中,1個(gè)氦原子核比4個(gè)氫原子核要輕一些(約0.7%)。由愛(ài)因斯坦的質(zhì)能方程——E=mc2,這一點(diǎn)很小的質(zhì)量變化,轉(zhuǎn)化為巨大的能量,釋放出來(lái)。有十分之一的太陽(yáng)質(zhì)量的氫原子參與核反應(yīng),就能釋放1.28×1044J能量,可以提供給太陽(yáng)100億年的壽命。

當(dāng)然太陽(yáng)不可能只有一個(gè)核反應(yīng)的內(nèi)核,盡管太陽(yáng)有著富足的能量。但是沒(méi)有一個(gè)“管家”來(lái)“有計(jì)劃”的釋放能量,這些能量也會(huì)迅速的消耗殆盡的。太陽(yáng)的核反應(yīng)區(qū)體積只占太陽(yáng)內(nèi)部的1/64,卻占了一半的太陽(yáng)質(zhì)量。巨大的內(nèi)核雖然溫度高達(dá)1500萬(wàn)℃,但是還沒(méi)有達(dá)到氫核發(fā)生聚變的溫度。但是在這樣的高溫高壓下,質(zhì)子可以經(jīng)由波函數(shù)的隧道,穿過(guò)排斥障礙而在比傳統(tǒng)預(yù)測(cè)為低的溫度下進(jìn)行融合反應(yīng)。但是由于這個(gè)反應(yīng)十分的緩慢,所以太陽(yáng)才不會(huì)像氫彈一樣瞬間炸毀。

在太陽(yáng)核反應(yīng)區(qū)之外,四分之一到五分之四太陽(yáng)半徑的范圍稱為輻射區(qū)。在這個(gè)區(qū)域,密度和溫度都很快的向外減少。核反應(yīng)區(qū)產(chǎn)生的能量經(jīng)此區(qū)以輻射轉(zhuǎn)移方式向外傳輸,將核反應(yīng)區(qū)放出的高能射線逐步降低能量。直到太陽(yáng)表面將核反應(yīng)的能量釋放出來(lái),由于太陽(yáng)體積巨大,這個(gè)傳遞通常需要上千萬(wàn)年的時(shí)間。

作者:高博


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