氢弹想必你一定非常的熟悉,我们都知道它的原理是核聚变反应。
可为什么氢弹是一次性的,一下子全炸了。但同样是利用核聚变才能燃烧的太阳,没有一下子全炸了?
今天,我们就来具体聊一聊这到底是咋回事?
太阳燃烧机制的猜测
很早以前就有很多人在思考太阳到底是咋燃烧,有人猜是烧煤。后来随着人类对于原子的结构越来越了解,尤其是对原子核及其内部结构的了解,天文学家爱丁顿就猜测,太阳的燃烧机制是核聚变反应 。
但当时的科学家对这种猜测不屑一顾。这是因为当时已经知道太阳内部主要是氢,还有一部分是氦。如果太阳要发生核聚变反应,那就说明太阳正在进行氢核聚变。
问题来了,按照理论,要发生氢核聚变的条件特别苛刻,温度至少要达到一亿度。问题是太阳内核的温度只有1500万度,虽然还有250万个大气压,但这也根本不满足氢核聚变的条件。所以,这一度陷入了僵局。
是什么阻碍了核聚变?
不过好在,那个年代量子力学得到大力的发展,最终科学家发现了为什么太阳在1500万度,250万个大气压的情况下也能氢核聚变。
这个过程大致是这样,按照目前主流的太阳起源假说,太阳诞生于一大片分子云的引力坍塌。在引力的作用下,分子云聚合成了太阳。
要知道太阳占据整个太阳系总质量的99.86%,所以它自身引力巨大,太阳内核的物质其实受到了巨大的压力,因此太阳内核的温度可以达到1500万度,250万个大气压。
其次,由于微观世界的隧穿效应,意思是:
像电子等微观粒子能够穿入或穿越位势垒的量子行为,尽管位势垒的高度大于粒子的总能量。
说白了就是原来在宏观世界很难做成的事情,比如,翻过一座山,你需要出工出力,否则就过不去,但是在微观世界,即使没有出工出力,也有一定概率发生。
到底是什么阻碍了太阳系内核发生核聚变反应呢?
这里我们要先对太阳的状态有一个了解,它其实是一个等离子体。什么是等离子体呢?我们都知道物质是由分子,原子构成的。但其实原子还是可以继续往下分。
由于太阳温度极其高,导致构成原子的电子不在被束缚在原子内,电子和原子核可以到处乱撞,就像一锅粒子粥。等离子态并不是液态,它区别于三态的相态。
上文也说到太阳含氢量最高,还有一部分氦,剩余的元素极其少。这就带来一个问题,太阳内部主要是电子和氢原子核(质子),也就是说太阳主要是一锅电子和质子的粒子粥。
核聚变反应说白了就是要让原子核之间发生反应,氢核聚变其实就是质子和质子之间要发生反应。但是质子是带正电同性电荷相斥,这个库伦力就是阻碍太阳发生核聚变的主要原因。
正是隧穿效应的存在,使得一对质子发生核聚变的概率大概是十亿年能发生一次。这个概率看起来很低,可是太阳够大,质子数量特别多,所以发生核聚变反应是必然的。
当核聚变反应被点燃之后,就会产生一个对外的压力,这个压力可以和引力形成动态平衡。
具体来说是这样的,当对外压力占据上风时,内核受到的压力就会减弱,温度和压强就会下降,这时候核聚变的剧烈程度就会被削弱,对外压力减弱,逐渐和引力实现再一次平衡。
同理,如果引力占据上风,太阳内核温度和压强就会特别高,这时候就会使得核聚变变得剧烈,产生更大的对外压力来和引力抗衡。
不过,刚才我们这是宏观地来看,从微观上看,温度变高会使得分子的运动更加剧烈,压强变大的效果也是类似的,本质上温度高和压强大,都会提高粒子相遇的概率,也就是提高发生反应的概率,宏观上就是使得反应变得剧烈。
所以,太阳没有一下子全炸了的原因,首先是因为温度和压强不够,在微观上是因为库伦斥力的阻碍。而量子隧穿效应只能使得核聚变反应只能缓慢进行。
氢弹并没有炸完,大多数原料还来不及参与核聚变反应,反应就结束了。让我们用可控核聚变来进行解释。可控核聚变的难度,并不在于无法发生核聚变,而在于如何延长核聚变的反应时间。
当从外界输入巨大的能量,通常以激光、X射线等方式,让处于中心的氢弹丸瞬间处于高温高压的状态,高温让氢原子的速度上升,同时这些氢受到的是一个强大的指向中心的压力。于是这些氢原子向中心疾驰,只要这个中心足够的小,那么这些氢原子中就总有一些要迎头相撞,注意仅仅是一些氢原子迎头相撞,不是所有的。只要相撞的力度足够大,氢原子彼此就会融合在一起,转变成氦,在这个过程中损失的质量转变为能量,释放出来,这就是核聚变。这一过程主要发生在内核区。当能量被释放出来,内核的氢原子就会受到一个向外推的力,如果没有外力来和核聚变产生的外推力相平衡,那么剩下的氢原子的飞行轨迹就变成了从内往外飞,它们将无法继续相撞,于是聚变反应就会停止。
太阳能点燃核聚变,是因为它巨大的引力,让氢原子向内核压缩,这种压缩产生了足够的高温和高压。高温提高了原子的速度,高压提高了原子在空间中的密度。于是原子彼此间的剧烈撞击随之发生,当撞击力度超过临界值,于是核聚变发生了。但必须指出,所有撞击都是概率事件,实际上对于单个原子来说,发生撞击的可能性都十分低,每时每刻只有极少数氢原子有机会相撞,产生核聚变反应。不过由于聚变释放出的能量非常巨大,因此哪怕只是很少一点点原子发生的核聚变反应,也已经让太阳发光发热成为一颗恒星,或者被称为太阳了。
伴随着核聚变的发生,太阳的体积会随之向外膨胀,伴随着体积的膨胀,高压状态会随之下降,原子在空间中的密度也随之降低,核聚变反应速度随之下降,释放的能量变少,于是太阳在引力的作用下又会回缩,太阳的回缩引发核聚变反应加速,在经过许多次的振荡后,太阳得到一个相对稳定的状态,此时引力产生的内压与核聚变反应产生的外推力达到平衡。这个平衡也就让太阳上的核聚变能源源不断发生,而不会熄火。
这是个好问题,我来回答一下。
太阳上发生的聚变反应主要是质子-质子链,这个反应的第一步是两个质子结合,形成一个氘核,放出一个正电子和一个电子中微子。这是个弱相互作用过程,在太阳内部的温度压力下,一个质子平均要经过百亿年才能完成这个过程,而聚变为氘核后,后续反应很快就能完成。所以可以说,质子聚变为氘核是太阳上聚变反应的瓶颈。而氢弹用的聚变材料就是氘、氚或者锂-6/7等同位素,不需要经过那个耗时漫长的质子到氘核的聚变,所以可以瞬间完成。
顺便说一句,这也是为什么你不能通过向木星投核弹把木星点燃的原因。木星元素成分与太阳基本相似。
根本就不一样,好吧。氢弹利用的是同位素不稳定原理,本质和原子弹一样,太阳是引力压垮原子,公式完全不一样
核弹的氘氚可以直接聚变,而太阳的氢聚变是一个复杂并且非常漫长的过程,四个质子聚变成氦4的过程,平均可以长达百万年。太阳每秒损失百万吨质量,完全是因为基数太大而导致的。