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? ( B+ |% v& Y, W, G% H2 S2 J2 R2 x
太陽用的燃料其實就是氫元素,,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。
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- s! ^2 W! F" h這一系列的核聚變反應(yīng)可以釋放出蘊含在氫原子核中的能量,,而太陽的光和熱其實就是來自于此,。 * u* Z1 e8 |9 S: w2 t
由此可見,盡管太陽看上去很像是一個熊熊燃燒的火球,,但太陽其實并沒有燃燒,,因為太陽的能量來自核聚變反應(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。 ; @6 [" r; W3 @9 z
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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' o {: R- t1 M“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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這主要是因為“質(zhì)子-質(zhì)子鏈反應(yīng)”的第一步的實現(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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; P8 l! A: J. e8 \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,,溫度其實就是微觀粒子熱運動的激烈程度,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,。 h! W, t5 \1 L9 P+ d# H5 B& i
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在發(fā)光發(fā)熱,,這是為什么呢,? 0 Q" O9 a, q$ K7 o) q
實際上,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)”。
$ X, ~/ a e) y/ Q& E' k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,。 e" G+ ]% v% F8 v4 s
然而即使兩個質(zhì)子發(fā)生了碰撞,,也很難形成氘原子核,,因為兩個撞在一起的質(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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8 v8 Y1 p9 s' h0 f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,。
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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”地形成氘原子核,進(jìn)而發(fā)生“質(zhì)子-質(zhì)子鏈反應(yīng)”,,也正是因為如此,,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。 |