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太阳发生核聚变反应,为什么它不会爆炸?

时间:2018-04-20 21:32:43   来源:时尚坊  阅读:1149次

  太阳发生核聚变反应,为什么它不会爆炸?

太阳发生核聚变反应,为什么它不会爆炸?

  太阳为什么不会爆炸?

  由于太阳自身巨大的重力挤压,使其核心的压力和温度变得极高,形成了可以发生核聚变反应的环境。氢原子核通过质子-质子链反应以及碳氮氧循环(主要是前者)结合成氦原子核(氦-4),同时释放出巨大的能量。但是为什么所有的氢原子核不会瞬间聚变呢?或者说太阳为什么不会一下子爆炸?

  一切都从核心开始。太阳核心的核聚变产生的辐射压力会被自身重力所平衡,所以太阳不会一下子爆炸。在高能量和高密度的太阳核心中,氢原子核(即质子)不断相互碰撞。但只有通过量子隧穿效应,质子碰撞形成双质子或氦-2(氦的同位素,有两个质子,没有中子),然后迅速衰变为氘原子(氢的同位素,有一个质子和一个中子),核聚变反应才会开始。这是质子-质子链反应的第一阶段。要形成稳定的氦-4原子核,还需要中子。那么。中子是从哪里来的?

太阳发生核聚变反应,为什么它不会爆炸?

  质子-质子链反应

  很明显,要形成一个氘原子,需要发生两件重要的事情。一个是伴随量子隧穿效应的质子-质子完美碰撞,另一个是氦-2原子核内一个质子的β+衰变,将其转化为所需的中子。从这里开始,氘在质子-质子链反应的下一个阶段最终形成氦-4。

  两个高能质子碰撞形成双质子的概率远小于质子间不经意碰撞并相互反弹的概率。即使它们碰撞形成一个双质子,也有另一个抑制因素,即β+衰变。大多数时候,双质子会衰变回两个质子。因此,这个初始阶段就是控制太阳消耗氢的速率。这种完美状态的形成最终导致一种缓慢的核聚变反应过程,这也是决定恒星年龄的因素之一。

  虽然这些条件控制着氢原子核的消耗速率,但太阳作为一个整体系统,试图通过控制这些条件来控制自身,使核聚变以一定的速率发生。那么,这是如何控制的呢?

太阳发生核聚变反应,为什么它不会爆炸?

  太阳的内部结构

  当核心的温度和密度足够高时,就会加快质子碰撞形成双质子的速率,这也就增加了整体的核聚变反应速率,并且会产生更多的能量,导致热膨胀,抵消了太阳的重力。当核心膨胀时,密度和温度下降,成功碰撞的概率减小。热核反应率降低,从而控制自身。

  同样的道理,如果核聚变速率变慢,重力又开始挤压核心,这反过来又增加了温度和密度,成功碰撞的机率又提高了。最后,热核反应率增加到足以平衡自身的重力,并使太阳以每秒消耗3.7×10^38个氢原子核的最优速率持续下去。

  最终,这一切都将在60到70亿后结束。到了那时,太阳的核心演变成白矮星,并留下行星状星云。

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