過去的研究表明,,太陽誕生于大約46億年前,,這就令人感到好奇,太陽究竟用了什么燃料,?為什么燒了幾十億年還沒燒完呢,?
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太陽用的燃料其實(shí)就是氫元素,這是宇宙中豐度最高,,也最簡單的元素,,不過太陽對氫元素的“使用方法”并不是將氫元素直接點(diǎn)燃,而是在其高溫高壓的核心,,通過一系列的核聚變反應(yīng),,由于氫原子核其實(shí)就是質(zhì)子,因此這也被稱為“質(zhì)子-質(zhì)子鏈反應(yīng)”,。
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“質(zhì)子-質(zhì)子鏈反應(yīng)”可以簡單地分為三個步驟,,第一步:兩個質(zhì)子結(jié)合,然后其中的一個質(zhì)子發(fā)生β衰變轉(zhuǎn)變成中子,,并與另一個質(zhì)子結(jié)合成氘原子核,;第二步:氘原子核和質(zhì)子結(jié)合,形成氦-3原子核,;第三步:兩個氦-3原子核結(jié)合后釋放出兩個質(zhì)子,,形成氦-4原子核。 ) F$ Q! ?( j, T) |# Z
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這一系列的核聚變反應(yīng)可以釋放出蘊(yùn)含在氫原子核中的能量,,而太陽的光和熱其實(shí)就是來自于此,。
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由此可見,,盡管太陽看上去很像是一個熊熊燃燒的火球,但太陽其實(shí)并沒有燃燒,,因?yàn)樘柕哪芰縼碜院司圩兎磻?yīng),,而我們常見的燃燒現(xiàn)象,卻是一種放熱發(fā)光的化學(xué)反應(yīng),,這兩者存在著本質(zhì)上的區(qū)別,。不過為了方便描述,我們還是可以將太陽形容為“燃燒”,,大家知道區(qū)別就行了,。
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太陽之所以能夠燒了幾十億年還沒燒完,主要有兩個原因,,一個是太陽的燃料足夠多,,另一個則是太陽的燃料消耗速度極為緩慢。
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“燃料足夠多”這個原因不必過多解釋,,畢竟太陽的質(zhì)量是地球的33萬倍,,體積更是高達(dá)地球的130萬倍,據(jù)此大家也可以想象出太陽有多龐大,,那為什么太陽的燃料消耗速度會極為緩慢呢,?
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這主要是因?yàn)椤百|(zhì)子-質(zhì)子鏈反應(yīng)”的第一步的實(shí)現(xiàn)難度相當(dāng)高,前面我們已經(jīng)講了,,這一步就是兩個質(zhì)子形成氘原子核,,要知道質(zhì)子都是帶正電的,所以在質(zhì)子之間會存在著很大的庫倫斥力,。
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用專業(yè)一點(diǎn)的話來講就是,,質(zhì)子之間存在著一個由庫倫斥力造成的“能量勢壘”,只有突破了它,,兩個質(zhì)子才可以發(fā)生碰撞,。
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, O2 N6 G0 J' ~8 H% x7 v0 M如何突破質(zhì)子之間的“能量勢壘”呢?答案就是速度,,只要質(zhì)子的速度足夠快,,它們就可以撞在一起,而我們都知道,,溫度其實(shí)就是微觀粒子熱運(yùn)動的激烈程度,,因此可以說,在足夠高的溫度下,,質(zhì)子就可以突破“能量勢壘”,,具體要多高的溫度呢,?至少需要上億攝氏度,。
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然而太陽核心的溫度卻只有1500萬攝氏度,這明顯就不夠啊,也就是說,,以太陽核心的溫度,,根本就不可能發(fā)生“質(zhì)子-質(zhì)子鏈反應(yīng)”,但我們明明看到了太陽確實(shí)在發(fā)光發(fā)熱,,這是為什么呢,? 4 p, H$ w: a0 ?. B3 R6 S* M0 R
實(shí)際上,這個問題曾經(jīng)困擾了科學(xué)界很久,,直到人們發(fā)現(xiàn)了“量子隧穿效應(yīng)”,。簡單來講,“量子隧穿效應(yīng)”可以允許微觀粒子在能量不足的情況下,,穿過在經(jīng)典力學(xué)中不可能穿過的“能量勢壘”,,這也被人們戲稱為“量子世界中的穿墻術(shù)”。
' b: l( q# y* \. g! j! W- U5 ]3 d* X9 V需要注意的是,,“量子隧穿效應(yīng)”的發(fā)生是有概率的,,能量差距越大,發(fā)生的概率就越低,,由于太陽核心的溫度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于理論值,,因此在太陽核心,兩個質(zhì)子通過“量子隧穿效應(yīng)”撞在一起的概率可以說是低得可憐,。
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然而即使兩個質(zhì)子發(fā)生了碰撞,,也很難形成氘原子核,因?yàn)閮蓚撞在一起的質(zhì)子通常都會迅速分開,,只有在極少數(shù)的情況下,,才會出現(xiàn)“一個質(zhì)子發(fā)生β衰變轉(zhuǎn)變成中子,并與另一個質(zhì)子結(jié)合成氘原子核”這樣的情況,。
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本來“量子隧穿效應(yīng)”發(fā)生的概率就非常低了,,再加上這一出,就使得“質(zhì)子-質(zhì)子鏈反應(yīng)”的第一步的實(shí)現(xiàn)更加困難,,以至于在太陽的核心,,一個特定的質(zhì)子通常都需要長達(dá)幾十億年的時間,才能與另一個質(zhì)子撞在一起并形成氘原子核,。 : {8 T7 ?( ?7 t7 O3 \) e
盡管這個概率是如此之低,,但架不住太陽的燃料多啊,正所謂“東邊不亮西邊亮”,,在太陽核心巨量的質(zhì)子中,,總會有極少數(shù)的質(zhì)子會“非常幸運(yùn)”地形成氘原子核,進(jìn)而發(fā)生“質(zhì)子-質(zhì)子鏈反應(yīng)”,,也正是因?yàn)槿绱�,,太陽的燃料消耗速度就變得極為緩慢,,燒了幾十億年還沒燒完,而根據(jù)科學(xué)家的估算,,太陽的燃料大概還可以燒50億年的時間,。 |