氫聚變產(chǎn)生無窮多能量 為什么太陽不會燃燒殆盡?
作者: 科普中國-科學原理一點通  2016-10-09 15:04:01
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知識點:支持太陽這個“大火球”燃燒的氫元素。只是太陽所使用的燃燒方式與我們平常與氧氣反應生成水的這種化學燃燒不同,太陽使用的是氫聚變產(chǎn)生的能量。氫“燃燒”的總效果是4個氫原子核合成一個氦原子核,在反應中,1個氦原子核比4個氫原子核要輕一些(約0.7%)。由愛因斯坦的質(zhì)能方程——E=mc2,這一點很小的質(zhì)量變化,轉(zhuǎn)化為巨大的能量,釋放出來。有十分之一的太陽質(zhì)量的氫原子參與核反應,就能釋放1.28×1044J能量,可以提供給太陽100億年的壽命。


太陽是目前地球天空中最亮的天體,也是地球上幾乎所有能量的來源。在太陽系中,太陽是最大的天體,其質(zhì)量占太陽系總質(zhì)量的99.865 %。其半徑是地球的109倍,體積是地球的130萬倍,其質(zhì)量是地球質(zhì)量的33萬多倍。

日常經(jīng)驗告訴我們,熱的東西會發(fā)光。太陽表面溫度約6000度。因此每秒鐘向外輻射3.845×1026焦耳的能量,這些能量可以將9.2×1017噸水從0°燒開。

但是如果太陽是個燃燒的大煤球,那么他至多只能燃燒4757年,太陽就將燃燒殆盡。這個時間對于人類文明都顯得太短了。但是太陽已經(jīng)發(fā)光發(fā)熱了幾十億年,那么太陽是靠什么來發(fā)光發(fā)熱的呢?支持太陽這個“大火球”燃燒的,并不是什么“神秘物質(zhì)”,而是非常常見的元素——氫。只是太陽所使用的燃燒方式與我們平常與氧氣反應生成水的這種化學燃燒不同,太陽使用的是氫聚變產(chǎn)生的能量。

在太陽中心區(qū)的高溫條件下,發(fā)生氫聚合成氦的熱核反應,這個反應類似于威力強大的氫彈爆炸。不過在太陽巨大的引力控制下,這種熱核反應并不會把太陽炸飛。氫“燃燒”的總效果是4個氫原子核合成一個氦原子核,在反應中,1個氦原子核比4個氫原子核要輕一些(約0.7%)。由愛因斯坦的質(zhì)能方程——E=mc2,這一點很小的質(zhì)量變化,轉(zhuǎn)化為巨大的能量,釋放出來。有十分之一的太陽質(zhì)量的氫原子參與核反應,就能釋放1.28×1044J能量,可以提供給太陽100億年的壽命。

當然太陽不可能只有一個核反應的內(nèi)核,盡管太陽有著富足的能量。但是沒有一個“管家”來“有計劃”的釋放能量,這些能量也會迅速的消耗殆盡的。太陽的核反應區(qū)體積只占太陽內(nèi)部的1/64,卻占了一半的太陽質(zhì)量。巨大的內(nèi)核雖然溫度高達1500萬℃,但是還沒有達到氫核發(fā)生聚變的溫度。但是在這樣的高溫高壓下,質(zhì)子可以經(jīng)由波函數(shù)的隧道,穿過排斥障礙而在比傳統(tǒng)預測為低的溫度下進行融合反應。但是由于這個反應十分的緩慢,所以太陽才不會像氫彈一樣瞬間炸毀。

在太陽核反應區(qū)之外,四分之一到五分之四太陽半徑的范圍稱為輻射區(qū)。在這個區(qū)域,密度和溫度都很快的向外減少。核反應區(qū)產(chǎn)生的能量經(jīng)此區(qū)以輻射轉(zhuǎn)移方式向外傳輸,將核反應區(qū)放出的高能射線逐步降低能量。直到太陽表面將核反應的能量釋放出來,由于太陽體積巨大,這個傳遞通常需要上千萬年的時間。

作者:高博


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