问题

太阳内的氢为什么是慢慢反应的,而不是一下都变成氦?

回答
这个问题问得很有意思,触及到了太阳内部最核心的运作机制。很多人可能会觉得,太阳里有那么多氢,为什么不一次性燃烧殆尽,而是能够持续发光发热几十亿年呢?这背后其实是一系列精妙的物理规律在起作用。

首先,我们要理解太阳内部发生的是什么反应:

太阳内部,尤其是其核心区域,温度和压力都高到难以想象。在这种极端条件下,氢原子(主要是其最常见的同位素——质子)不再是独立的个体,而是以一种被称为“等离子体”的状态存在,即原子核和电子分离。

而太阳的能量来源,就是这些氢原子核在极高的温度和压力下,通过一系列被称为“质子质子链反应”(ppchain)的过程,聚变成氦原子核。这个过程的关键在于,它遵循着量子力学的规律,特别是核聚变。

为什么不是“一下都变成氦”?

如果太阳的氢能像我们点燃篝火一样,瞬间燃烧,那么它的能量释放将是灾难性的。它会在极短的时间内爆炸,我们也就无从谈起了。之所以能“慢慢反应”,主要有以下几个原因:

1. 极高的能量壁垒(库仑势垒):
氢原子核(质子)都带正电。我们知道,同性电荷是相互排斥的。这种排斥力,在物理学上称为“库仑力”,就像一道高高的“能量壁垒”,阻止质子们轻易地靠近并发生反应。
要知道,在太阳核心,即使温度高达一千多万摄氏度,绝大多数质子也无法克服这个库仑势垒。它们虽然运动得非常快,但仍然不足以像台球一样直接碰撞并融合成氦。

2. 量子隧穿效应:
这里就轮到量子力学大显身手了。虽然根据经典的物理学,绝大多数质子都没有足够的能量越过库仑势垒,但根据量子力学的原理,粒子(比如质子)有一定概率“穿过”这个能量壁垒,即使它们的能量低于壁垒的高度。这被称为量子隧穿效应。
这个隧穿效应的概率非常非常小!打个比方,就像你用力推一堵厚厚的墙,经典物理学告诉你,你不可能穿过去,但量子力学告诉你,你有微乎其微的概率会突然出现在墙的另一边。
太阳核心拥有海量的质子,虽然每个质子隧穿的概率极低,但因为基数实在太庞大了,所以在每一秒钟,都有足够多的质子能够通过隧穿效应克服库仑排斥,靠近到足以发生核聚变所需的距离。

3. 反应链的限制:
质子质子链反应不是一步到位的。它是一个多步骤的过程,其中一些步骤的反应速率本身就非常缓慢。
例如,ppchain的第一步,两个质子碰撞,其中一个质子通过弱核力转变成中子,同时释放出一个正电子和一个中微子。这个过程就是将一个质子转变成中子,这涉及到弱核力,而弱核力本身就是一种相对较弱且反应速率较慢的力。
这个“质子到中子”的转化是整个链式反应的瓶颈。它的发生概率极低,即使在太阳核心的高温高压下,每秒钟也只有极其微小的比例的质子能够完成这个转化。这个速率决定了整个核聚变反应的总速率,就像一个水龙头,即使水箱里有无数的水,但水龙头开得小,流出来的水也就慢。

4. 负反馈机制(自我调节):
太阳还有一个非常重要的自我调节机制。当太阳核心的温度升高时,质子的运动速度会加快,隧穿效应的概率会增加,核聚变反应速率也会随之提高,释放出更多的能量。
但是,能量的增加会导致核心压力上升,从而使得核心体积膨胀。一旦核心体积膨胀,单位体积内的物质密度就会下降,温度也会因此而降低。
温度降低又会导致核聚变反应速率减慢,能量输出减少,核心压力下降,体积又会收缩,温度重新升高。
这种膨胀收缩、升温降温的循环,就像一个弹簧一样,能够将太阳核心的温度和压力稳定在一个相对恒定的范围内,从而让核聚变速率保持在一个相对平稳的水平。这个过程被称为热平衡或者辐射对流平衡。

总而言之,太阳的氢不是“慢慢反应”,而是“极其缓慢且稳定地反应”。

“极其缓慢” 是因为质子之间的库仑排斥力很高,即使在太阳核心,能克服它的质子也只是一小部分,并且主要依赖于概率极低的量子隧穿效应和弱核力反应。
“稳定地” 是因为太阳内部存在一种强大的负反馈机制,能够根据核心温度和压力的变化自动调节核聚变速率,使其保持在一个相对恒定的状态。

正是这些物理规律的精妙结合,才使得太阳能够持续亿万年地为我们提供光和热,而不是在瞬间燃尽自己。这真的是宇宙中最令人惊叹的现象之一。

网友意见

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睡前看到这个问题,决定简要回答一下,目前看到的答案感觉都不够简明扼要。

我觉得题主的一个疑惑在于,为什么太阳不像氢弹,瞬间完成几乎所有的聚变反应?这里的一个要点在于,聚变,例如太阳中的氢-氦聚变,抑或是氢弹中的类似过程,并不是自持的。而是需要一定的温度压强条件,温度低了压强小了,聚变都会减速或者终止。聚变有点像大冬天点柴火,点着了还不行,得弄个罩子不让热量跑的太快,还要防止木柴自己散开了(可控核聚变技术里这叫做约束),换句话说,太阳靠引力维持内部的温度压强,使得聚变只能以目前的速率进行。

自持的核反应,例如裂变,可以由上一个裂变核放出的中子,作为触发下一个核裂变的“引信”,所以裂变的发生是比较容易的,只要材料纯度够高,加上一点点中子触发,甚至自发衰变放出的中子,就有可能引发链式反应,这也是为什么目前的核电站有“控制棒”,这些通常用金属镉制成的控制棒可以吸收中子,避免链式反应的发生(当然发生链式反应不等于核爆炸,核电站的低浓度铀即使发生链式反应,也很难在短时间内引发足够的裂变,在足够的能量产生之前,材料本身就会被“炸开”导致链式反应终止)。

那为什么氢弹可以爆炸呢?这是因为氢弹通常会有一个小的裂变弹作为扳机,爆炸产生的大量高能射线可以驱动包裹在聚变材料外层的材料迅速烧蚀,外层烧蚀产生的压强会驱动内层材料的向心压缩,短时间内产生足够的高温高压,这样才能让氢核具有足够的动能克服同性间的库仑斥力结合在一起,从而发生聚变。

具体到太阳身上,高温高压主要是由引力对星体的“压缩”提供的,这个因素导致恒星的聚变速率可以由负反馈调节:聚变快了,温度压强升高,驱动星体膨胀,而这又会导致温度压强降低,从而降低聚变速率。如果这个反馈机制太慢,就会使得星体大小出现比较大得变化,变星就是这么来的。

先写这么多,有什么遗漏的以后补上。

添加两条长回复:

---氢弹如果"弹药"放太多,会因为失去压强和温度导致聚变终止造成浪费吗?

核材料的浪费是非常正常的现象。早期核武器的材料利用率非常低,即使是裂变弹,材料也会因为反应时的压强而飞散导致裂变终止,最终利用率只有1%左右。第一颗公认的聚变装置 Ivy Mike 总重近70吨,印象中有数吨液化氘,最终威力也只有1000万吨上下,其中还有大量来自U238的受到聚变中子辐照产生的裂变,所以效率也是非常之低的

---往太阳发一颗裂变弹能制造出足够的压强,引发聚变吗

太阳内部已经在进行核聚变了啊。我猜你的意思应该是给太阳提供足够的压强能否产生类似氢弹的爆炸式聚变。我觉得是可能的,只不过裂变弹是没法提供这样的压强的。裂变弹大部分能量用来产生X射线,本身爆炸的压强是无法直接引爆氢弹的,这也是为啥我提到要利用聚变材料外部包裹材料的烧蚀来提供压强。就恒星演化来说,太阳本身质量太低,最终不会有超新星爆发,因为它的自身引力至多提供氦聚变为碳所的压强和温度,最后剩下的会是一个以碳为主的白矮星。

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