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    同樣是核聚變,為什么太陽能燃燒100億年,氫彈卻一下子就炸了?

    2021-08-10  魅力科學君

    氫彈,迄今為止威力最大的人造物,利用核聚變的原理,氫彈能夠在一瞬間釋放出非常巨大的能量,可惜的是,氫彈核聚變的速度極快,其能量是以爆炸的方式釋放出來的,人類根本就無法控制。

    然而我們都知道,太陽的能量來源同樣也是核聚變,卻能夠以一種穩定且溫和的方式持續燃燒。

    (注:我們說太陽“燃燒”只是為方便討論,實際上,基于化學反應的燃燒現象與太陽的核聚變有本質上的不同,請大家注意區分)

    根據科學家的估算,太陽的這種狀態一共可以維持大約100億年的時間,所以問題就來了,同樣是核聚變,為什么太陽能燃燒100億年,氫彈卻一下子就炸了呢?下面我們就來聊一聊這個話題。

    為什么氫彈會一下子就炸了?

    要點燃核聚變反應,高溫是必不可少的條件,氫彈所用的核聚變原料是“氘”和“氚”這兩種氫的同位素,在標準大氣壓下,其發生核聚變反應的條件大概是1億度(攝氏度,下同)。

    為了實現這個溫度,人們采用的方法是,在氫彈的外層安裝一顆小型原子彈(以核裂變為原理),當其引爆后,就可以產生上億度的溫度,進而使氫彈內部的原料在極短的時間內完成核聚變反應,于是氫彈就一下子就炸了。

    為什么太陽不會像氫彈那樣炸掉?

    可能有人會認為,太陽的核聚變反應只會在其核心區產生,而太陽又那么大,因此太陽只需要將自己的核燃料一點一點地放入核心,就可以穩定燃燒100億年了,但事實卻并非如此。

    如上圖所示,太陽的核心區的半徑大約是太陽半徑的4分之1,在這個區域中的核燃料都可以發生核聚變,而位于核心區之外的輻射區,卻阻止了太陽外層的物質進入太陽核心區,也就是說,太陽所有的核燃料都在核心區中,并沒有“一點一點地放入核燃料”。

    據此我們可以推測出,太陽之所以不會炸,應該是因為它核聚變的速度處于某種受控狀態,能夠以非常緩慢的速度進行。

    是什么在控制太陽核聚變的速度?

    太陽核心的核聚變反應主要是“質子-質子鏈反應”(如下圖所示),其基本原料是氫原子核,也就是質子。相對于氫彈所用的“氘”和“氚”,質子發生聚變的條件要高得多,在標準大氣壓下,需要數十億甚至上百億度的高溫。

    然而太陽核心的溫度卻只有1500萬度左右,這根本就不夠啊,那太陽是怎么產生核聚變的呢?是因為太陽核心的壓強非常巨大嗎?

    答案是否定的,雖然太陽核心的壓強可以高達標準大氣壓的大約3000億倍,但是這也只能讓質子的密度大幅度增加,依然無法達到產生核聚變的條件。

    由于質子都帶正電荷,因此當質子相互靠近時,彼此之間就會產生強大的排斥力,這被稱為“庫倫勢壘”,而質子的動能必須要能夠克服“庫倫勢壘”,才可以彼此碰撞,進而產生核聚變。

    溫度其實就是微觀粒子熱運動的集體表現,溫度越高,微觀粒子的熱運動就越激烈,其動能就越高,根據科學家的計算,太陽核心區的質子平均動能約為1000eV(電子伏特),而質子之間的“庫倫勢壘”卻有大約1000000eV。

    也就是說,太陽核心區的質子平均動能僅為“庫倫勢壘”的千分之一,從理論上來講,這根本就無法克服質子之間的排斥力,核聚變也就無從談起了。

    然而事實卻是,太陽似乎無視了這種理論,這是怎么回事呢?其實這個問題曾經讓科學家頭疼了很久,直到他們發現了“量子隧穿”。

    如果把“庫倫勢壘”比作一個山頭,那么在經典物理中,粒子必須要有足夠的能量翻越它才可以通過,但在量子物理中,粒子卻有一定的概率在“自身的能量不足以翻越這個山頭”的情況下直接穿過,這就是“量子隧穿”。

    根據量子力學,發生“量子隧穿”的概率非常低,即使在太陽核心區高溫高壓的環境中,質子也只有大約10^(-20)的概率發生隧穿,這個概率直觀點來看,就是1萬億億分之1。

    需要注意的是,就算某個質子通過“量子隧穿”與其它的質子發生了碰撞,也很難發生核聚變,因為在質子碰撞實驗中,科學家發現兩個撞在一起的質子有超過99.999%的概率不會發生核聚變,它們會重新衰變成兩個單獨的質子。

    總而言之,由于上述的原因,太陽核心區中的質子發生核聚變的概率是非常非常低的,低到什么程度呢?根據科學家的計算,在太陽的核心區,一個質子平均需要幾十億年的時間才能另外的質子發生核聚變。

    盡管這個概率低得令人發指,但太陽核心區依然會發生核聚變,原因就是太陽占據了整個太陽系大約99.86%的質量,其中大約有73.46%都是氫,它擁有的質子實在是太多了。

    從概率學的角度來看,在相同的條件下,對于某種發生概率不為零的事件而言,只要基數足夠大,那么它就必然會發生。

    這就好比我們把3枚硬幣同時拋出,出現“所有硬幣在落地之后全部都是正面朝上”這種情況的概率是很低的,所以一般都不會出現這種情況,但如果我們拋硬幣的次數非常多,那么這種情況就必定會多次出現,只不過相對于拋硬幣的總次數而言,出現這種情況的次數要少得多。

    同樣的道理,雖然太陽核心區的質子發生核聚變的概率極低,但由于太陽擁有的質子數量非常巨大,因此在太陽的核心區,隨時都有質子在發生核聚變,但相對于質子總量而言,發生核聚變的質子數量微乎其微。

    總結

    到此我們就可以做個總結了,綜上所述,太陽之所以不會像氫彈那樣一下子就炸了,其實是因為在極低概率的控制下,太陽的核燃料只能以極為緩慢的速度消耗,而這也是太陽能燃燒100億年的原因。

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