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太阳的燃料是什么?为何太阳能燃烧100亿年,而不会瞬间燃尽?

时间:2022-11-06 09:26:22 | 浏览:21

地球之所以能够像现在这样充满生机,最重要的原因就是,有太阳这个“大火球”在不断地向地球输送光和热。这也就意味着,假如有一天太阳停止燃烧,那么地球将很快转变成一颗死寂的冰冻星球,但好消息是,我们不必为此担心,因为太阳能燃烧100亿年。虽然太阳

地球之所以能够像现在这样充满生机,最重要的原因就是,有太阳这个“大火球”在不断地向地球输送光和热。这也就意味着,假如有一天太阳停止燃烧,那么地球将很快转变成一颗死寂的冰冻星球,但好消息是,我们不必为此担心,因为太阳能燃烧100亿年。

虽然太阳已经燃烧了大约50亿年,但留给我们的时间还有很多,所以我们完全可以花一点时间来了解一下有关太阳的知识,首先来看看太阳的燃料是什么。

太阳的燃料就是宇宙中最简单,也是最多的元素——氢,在太阳的内部,氢原子核不断地发生核聚变反应,同时因为损失质量而释放出能量,而太阳的光和热就是来自于此。

观测数据显示,太阳主要由氢和氦这两种元素构成,而其中氢就占了太阳质量的71%左右,也就是说,太阳其实就是一大堆燃料聚积而成,按照一般的思路来讲,这么多燃料堆在一起,应该很快就烧完才对,但很显然,这种事情并没有发生。

所以问题就来了,为何太阳能燃烧100亿年,而不会瞬间燃尽?对于这个问题,假如太阳能说话,它一定会对你说:你知道我的核聚变有多难吗?

通常我们都会认为,太阳的核聚变就是4个氢原子核“Duang”的一下就聚变成一个氦原子核,但实际情况却要复杂一些。

氢原子核其实就是质子,它们在太阳核心的反应过程是这样的:首先是两个质子结合在一起,然后形成氘(氘是氢的同位素,其原子核内包含一个质子和一个中子),接下来氘原子核又与另一个单独的氢原子核结合,然后形成氦-3(氦-3是氦的同位素,其原子核内包含两个质子和一个中子),最后才是两个氦-3原子核聚变成氦,同时释放出两个质子。

这一系列的核聚变反应被称为“质子-质子链反应”,需要注意的是,在其中最难的是第一步。

由于质子都带正电,因此在两个质子之间就存在着库伦斥力,而在第一步里,并没有中子存在,这无疑使得两个质子的结合更是难上加难。但这并不是没办法解决,正所谓“天下武功,唯快不破”,只要速度够了,质子间的库伦斥力也就不是问题了。

由于温度就是指微观粒子热运动的剧烈程度,因此我们可以认为,只有温度够了,两个质子就可以撞在一起。尴尬的是,理论上来讲这个温度应该是上亿摄氏度,而太阳核心的温度却只有1500万摄氏度,远远达不到这个标准。

由此可见,从理论上来讲,太阳核心是不可能发生核聚变的,但我们都知道事实并非如此,这是怎么回事呢?其实这个问题在过去困扰了科学家们很长一段时间,直到他们发现了微观世界里的“穿墙术”——“量子隧穿”。

简单地讲,“量子隧穿”允许质子在能量不足的情况下,直接穿过由库伦斥力形成的屏障,然后撞在一起,这就帮助太阳解决了温度不足的难题,美中不足的是,发生“量子隧穿”的概率非常低。

但这还没完,当两个质子撞在一起之后,就形成了双质子(氦-2原子核),在这种情况下,其中的一个必须要在很短的时间内发生β衰变,从质子转变成中子,这样才能形成氘原子核,否则的话,双质子很快就会衰变成两个单独的质子。

科学家曾经利用粒子加速器做过质子碰撞的实验,实验结果表明,两个撞在一起的质子,有超过99.99的概率在1纳秒之内衰变成两个单独的质子。这就意味着,在太阳的内部,就算是两个质子通过概率极低的“量子隧穿”成功地撞在一起,它们也只有不超过10万分之一的概率会形成氘原子核。

本来发生“量子隧穿”的概率就已经很低了,再加上这一出,我们完全可以想象这一定会非常困难,具体有多难呢?科学家推测,在太阳核心,一个质子撞上另一个质子,然后再成功地形成一个氘原子核,通常需要数十亿年的时间。

由此可见太阳的核聚变有多难,但这也难不倒太阳,因为太阳实在是太大了。这就好比我们玩掷骰子,尽管掷出“三个一”的概率很小,但只要我们掷的次数够多,就肯定会掷出很多个“三个一”。

同样的道理,由于太阳拥有的质子数量超级庞大,因此即使概率非常低,在太阳核心仍然会不停地发生“两个质子聚变成氘原子核”这种事情。只不过由于概率极低,这些发生反应的物质总量相对于太阳而言微乎其微。

对于太阳来说,只要完成了“质子-质子链反应”的第一步,接下来的步骤就相对要简单得多了。由此我们也可以知道,由于极低概率的限制,太阳核心总是只有极少的燃料在发生核聚变反应,而这也是“为什么太阳能燃烧100亿年,而不会瞬间燃尽?”这个问题的答案。

值得一提的是,在浩瀚的宇宙中,太阳并不是一个另类,事实上,在宇宙中所有恒星的内部,都有与太阳一样的机制,而这也是它们能够长时间在夜空中闪耀的原因。


好了,今天我们就先讲到这里,欢迎大家关注我们,我们下次再见。

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