太陽既然是核聚變反應,爲什麼不像氫彈一樣瞬間炸完,而是持續不斷地聚變反應?

GWBR


氫彈是迄今為止人類製造出來的威力最大的炸彈,它利用的是原子的核聚變反應,而我們的太陽也是以核聚變反應向外面輻射能量,因此我們常說太陽就是一個巨型氫彈。那麼問題來了,為什麼氫彈的核聚變爆炸只在一瞬間,然而太陽的核聚變卻可以進行100億年呢?為什麼它不會一下子爆掉呢?



首先必須指出的是,其實爆炸的氫彈它的核原料也並沒有一下子爆炸完,科學家們要做的只是儘量的增多參與爆炸的核燃料罷了,因為可控核聚變是一個很難操作的事情,如果好操作的話,核聚變發電早就實現了,這是因為讓氫原子撞擊到一起形成氦原子是一種概率事件。


比如氫彈的爆炸,我們要先通過原子彈爆炸將氫原子(通常為氫的同位素氘和氚原子)擠壓到一起,讓它們在高溫高壓的條件下發生碰撞引發聚變反應,從而引起氫彈爆炸,但是在這一過程中,並非所有的氫原子都參與到了爆炸中,而是其中的一部分發生了反應,其產生的能量就已經十分驚人,當核聚變爆炸發生之後,產生的極高輻射壓會把剩下的氫原子推向外部,氫原子也就不能相撞爆炸了,核聚變反應也就停止了,所以氫彈的爆炸只是一瞬間的事情。


太陽的核聚變和氫彈實際上略有不同,它的核聚變是由於自身引發的,由於巨大的質量產生的強大引力,造成了太陽內部的溫度和壓力都非常高,從而讓氫原子向內核壓縮,形成了沸騰的氫離子湯一樣的情景,氫原子彼此間的劇烈撞擊,有的氫原子的撞擊力度超過臨界值,於是核聚變發生了。

但是和氫彈的爆炸一樣,太陽內部的氫原子撞擊也都是概率事件,並不是所有的氫原子都在一瞬間撞擊到一起了,只是有很少一部分的氫原子撞到一起,產生了聚變能,所以太陽不會頃刻間爆炸,而又由於太陽規模非常巨大,它內部的氫原子也非常多,至今仍然佔到了太陽元素總量的75%以上,因此太陽可以長期持續的進行核聚變反應向外發光發熱。



科學家們計算認為,太陽每秒鐘有質量為6億噸的氫經過熱核聚變反應為5.96億噸的氦,並釋放出相當於400萬噸氫的能量,每秒鐘的核聚變能量相當於4億億顆廣島原子彈爆炸產生的能量,形成至今的50億年已經燒掉了一百個地球質量左右的氫元素。


科普大世界


首先氫彈並沒有炸完,大多數原料還來不及參與核聚變反應,反應就結束了。

讓我們用可控核聚變來進行解釋。可控核聚變的難度,並不在於無法發生核聚變,而在於如何延長核聚變的反應時間。


當從外界輸入巨大的能量,通常以激光、X射線等方式,讓處於中心的氫彈丸瞬間處於高溫高壓的狀態,高溫讓氫原子的速度上升,同時這些氫受到的是一個強大的指向中心的壓力。於是這些氫原子向中心疾馳,只要這個中心足夠的小,那麼這些氫原子中就總有一些要迎頭相撞,注意僅僅是一些氫原子迎頭相撞,不是所有的。

只要相撞的力度足夠大,氫原子彼此就會融合在一起,轉變成氦,在這個過程中損失的質量轉變為能量,釋放出來,這就是核聚變。這一過程主要發生在內核區。當能量被釋放出來,內核的氫原子就會受到一個向外推的力,如果沒有外力來和核聚變產生的外推力相平衡,那麼剩下的氫原子的飛行軌跡就變成了從內往外飛,它們將無法繼續相撞,於是聚變反應就會停止。


而可控核聚變的關鍵就在於,如何持續提供的一個足夠強大的外力,維持住核聚變的持續發生,或者至少要發生到讓輸出的能量大於輸入的能量,否則就成了虧能反應,而不是放能反應了。人類在發展可控核聚變技術時,發展了激光約束和磁約束等方法,試圖持續的約束反應原料,不四處亂飛,而只在一個極小的範圍內飛,這樣才有足夠多的機會彼此相撞。目前,約束時間的長短,是人類研發成功可控核聚變的關鍵,中國科學家已經能持續約束60秒,這是一個了不起的成績。


其次氫彈的一瞬間的複雜度,如果沒有了解,也會把這事想得過於簡單化。

氫彈利用原子彈爆炸釋放外力,將大量氫原子向內推擠,雖然核聚變依然只能發生短短的一瞬,但由於使用的氫原子足夠多,那麼在一瞬間之內有機會迎頭相撞的氫原子也足夠多,於是核聚變產生出來的能量也就會足夠多。當然,如何讓原子彈爆炸時的能量,能被利用起來,在從前也是最高軍事機密。

圖示:世界上當量最大的沙皇核彈爆炸過程示意圖。沙皇核彈爆炸當量5000萬噸TNT,設計當量一億萬噸TNT,但由於擔心當量太大引發不可控的問題,在實際引爆的那顆沙皇炸彈,將當量縮減了一半。


首先用TNT提供的壓力,讓鈾235彼此撞擊,於是鈾235發生鏈式反應,鏈式反應持續的時間越長,鈾235釋放出的能量越多,這涉及到原子彈如何設計的秘密。


利用鈾235裂變釋放出的大量能量,引發核聚變反應。氫彈雖然被稱為氫彈,但實際上它不用氫,而是使用氫的同位素,氘和氚,因為氘和氚更不穩定,更容易發生核聚變。


最後,為了進一步提高核彈釋放的能量,還裝填了大量鈾238,鈾238很穩定,但在核聚變釋放出的非常多超高速中子的撞擊之下,鈾238發生裂變釋放能量。


所以,氫彈爆炸的一瞬間,可遠沒有想象中那麼簡單呢。

但不管怎樣設計氫彈,由於缺乏外界約束,所有反應事實上都只能持續存在一瞬間,然後大多數原料就被炸飛了,並沒有真的反應完全。


太陽上的核聚變

太陽能點燃核聚變,是因為它巨大的引力,讓氫原子向內核壓縮,這種壓縮產生了足夠的高溫和高壓。高溫提高了原子的速度,高壓提高了原子在空間中的密度。於是原子彼此間的劇烈撞擊隨之發生,當撞擊力度超過臨界值,於是核聚變發生了。


但必須指出,所有撞擊都是概率事件,實際上對於單個原子來說,發生撞擊的可能性都十分低,每時每刻只有極少數氫原子有機會相撞,產生核聚變反應。不過由於聚變釋放出的能量非常巨大,因此哪怕只是很少一點點原子發生的核聚變反應,也已經讓太陽發光發熱成為一顆恆星,或者被稱為太陽了。


伴隨著核聚變的發生,太陽的體積會隨之向外膨脹,伴隨著體積的膨脹,高壓狀態會隨之下降,原子在空間中的密度也隨之降低,核聚變反應速度隨之下降,釋放的能量變少,於是太陽在引力的作用下又會回縮,太陽的回縮引發核聚變反應加速,在經過許多次的振盪後,太陽得到一個相對穩定的狀態,此時引力產生的內壓與核聚變反應產生的外推力達到平衡。這個平衡也就讓太陽上的核聚變能源源不斷髮生,而不會熄火。



完成942答。歡迎瀏覽我的個人頁面,說不定這942答中就有你感興趣的問題呢。


三思逍遙


當一個物體變得像太陽這麼大的時候,它的每個原子的引力都向中心塌縮並輸送壓力和熱量。而由於太陽的質量巨大,因此它的引力就可以積累到極高的溫度,溫度越高,原子核運動速度越快,當達到1000萬度時,原子核的電磁力將無法阻擋高速奔跑的原子核相互碰撞的力量。於是原子核的強力終於在瞬間的結合並讓物質釋放出巨大能量,這就是核聚變。

太陽自存在以來,只損失了萬分之一的物質。能量在它的大約70萬公里的深處的核心產生,要經過1000萬年才能上升到表面,光在太陽的肚子裡走得比蝸牛還慢,正因為這樣,這個能量的“億萬富翁”才能從容地使用自己的存款,坐吃而不山空。

核聚變不是裂變的鏈式反應,而是當條件符合了之後的自發反應反應放出大量的熱量,讓太陽有向外擴張的趨勢,而引力有讓太陽收縮的趨勢,二者正常情況下達到均衡,即為太陽目前的主序星狀態

太陽跟木星都是太陽系中的氣態星體,本身都由宇宙中的原子序數較小的氫氦等氣體組成,太陽雖由氣體原子組成,但由於自身質量較大的關係,各部分之間的萬有引力作用巨大,使內部溫度和壓力能夠達到,較輕的原子核之間相互結合,產生較重的原子核的核聚變反應,並將其中一部分的質量轉化為能量即內部組成元素粒子的動能用以對抗不斷向內的引力塌縮,維持現有平衡,就像內燃機能夠束縛化石燃料放出的能量而不至於爆缸一樣,太陽內部的壓力可以束縛核聚變反應的能量,太陽的壽命已經走過生命歷程的一半即五十億年的過程,但仍有相同時間的壽命,太陽會長期穩定在現有狀態,直至其內部輕核燃料的核反應燃燒殆盡,又由於其自身質量不足以推動更重核的核反應而無法對抗自身引力而終結

章魚博士


太陽就像是一個巨大的氫彈,每時每刻它上面都在進行著劇烈的核聚變反應,產生巨大的光和熱,為地球的生命活動提供源源不斷的能量供應。自太陽誕生至今,已經過去了50億年了,但是太陽的質量損失不過萬分之一罷了,太陽能量耗盡,還需要50億年的時間。



首先了解一下什麼是核聚變反應:要想發生核聚變反應,就要讓原子核之間的距離足夠近,而原子核與原子核之間由於帶相同電荷的原因而彼此相互排斥,這就要求原子核需要具有足夠的動能,對於某一溫度的物質,其組成粒子有一定的速率分佈,動能較大和較小的粒子所佔的比例都非常小,別看太陽的溫度有1000萬度以上,但也只有很小一部分比例的粒子有足夠的速度產生核聚變,所以太陽不是瞬間進行核聚變,而是持續進行。

另外,質量越大的恆星其中心溫度越高,達到核聚變要求的粒子比例也就越高,所以說質量越大的恆星燃燒得更快,壽命也就更短了。而溫度越高也導致物質的原子間距變大,使熱核反應的激烈程度下降,這樣也是形成了一種負反饋,造成了熱核反應趨於一種穩定的狀態,使太陽得以長久生存下去。此外,我曾經在一本書上看到過太陽產生核聚變反應的地方僅僅是在距離太陽表面70萬公里的深處,熱核聚變反應雖然時時刻刻都可以發生,但是其產生的能量卻沒有那麼輕易地就可以出來,從其產生到跑到太陽的表面,需要幾百萬年的時間,所以可以說此刻太陽所發出的光,其實早在幾百萬面前的熱核聚變反應中就產生了。所以,太陽的能量就是這麼慢慢地被釋放出來的,一時半會它還不會把能量全部吐出來。


太陽每秒鐘會消耗600萬噸的氫,但是因為它的氫儲量是天文數字,所以還有約50億年的壽命,等氫消耗得差不多了,再進行更重元素的合成,那麼太陽就離死不遠了。


鏡像宇宙


謝謝邀請。太陽的核聚變確實是可控的,當然不是人為可控,而是自適應可控。所以太陽能量不象氫彈爆炸瞬間釋放,儘管太陽一秒鐘釋放的能量相當於幾億顆氫彈。

太陽的核聚變可控是因為太陽的壓強是由溫度提供的(主要是氣壓),而太陽核聚變的速率受溫度和密度的影響,溫度越高,密度越高核聚變速率越快。當太陽核聚變速率過快時,內核溫度升高,壓力超過引力而膨脹,導致核聚變減緩。同理,太陽核聚變速率過低時,壓力不足發生引力坍縮,導致溫度和密度提高,核聚變加快。這樣就形成一個負反饋調節。

白矮星是簡併態天體,內部的壓強幾乎完全是由電子簡併壓提供的,溫度只佔很小的一部分。當白矮星不斷吸積物質,質量增大到接近錢德拉塞卡極限時,電子簡併壓無法支撐恆星的質量,從而發生引力坍縮。由於白矮星的成分是碳氧,引力坍縮導致它們聚變成鐵。然而,白矮星的壓強主要來自簡併壓,所以核聚變的溫度上升並不會引起白矮星膨脹。於是核聚變的速率越來越快,最後整個白矮星在一瞬間被點燃,釋放的能量將白矮星徹底炸碎,形成Ia型超新星(即不可控核聚變星)。

質量大於150個太陽質量的超大恆星,其內部溫度極高,因此支撐恆星主要是靠輻射壓。當恆星耗盡核心的氫,聚變更重的元素時,恆星內部的溫度越來越高。當溫度高到一定程度時,光子的能量足以產生正負電子對,導致輻射壓損失,平衡被打破。於是恆星發生急劇的收縮,在短短的幾秒內把40倍太陽質量的核心聚變成鐵,恆星被徹底炸碎,不留下任何緻密星。這就是不穩定對超新星。

平衡的穩定性也和核聚變隨溫度的變化率有關。太陽內部的核聚變是比較簡單的pp鏈反應(p為質子,PP為質子鏈),更大質量的恆星是複雜的CNO循環(碳、氮、氧鏈循環)。pp鏈反應速率和溫度四次方成正比,CNO循環和溫度17次方成正比,所以它們隨溫度的變化不劇烈。然而,氦聚變的速率和溫度的40次方成正比,這使得一點微小的擾動就足以讓恆星偏離平衡,而且恢復平衡也更為困難。所以晚年恆星的核聚變不穩定,常常發生週期性爆發。


沈大哥


氫原子不等於質子和電子中子,物質也不等於原子。同理太陽的核聚變不等於氫彈的核聚變。

其實我們可以把地球看成小太陽,只不過質量輕,沒有太陽大,達不到太陽那麼亮,但是他的能量還是看得到的,就是火山噴發,岩漿,地震,沒有太陽的地方,海底還有靠著溫泉熱泉活著的生物,所以以前大家覺得太陽是由氫原子組成的,只是一個錯覺,相對正確的說法應該是太陽是由巨量可達到發射可見光程度的物質組成的。

在巨量物質的巨大引力的作用下,太陽產生的核聚變的能量是天量的、相對持續的、緩慢的、而且是要穿過層層物質才能到達太陽表面的,這就像打仗,十人小分隊幾分鐘解決戰鬥,要是遼瀋戰役規模呢?就得運作多一陣。同理,氫彈才多大,太陽有多大?他們物質量層級完全不可同日而語。這就是為什麼我們看到太陽的就不是一個簡單的核爆炸,而是一個持續的核爆炸,且因為巨大引力的作用下這些爆炸都被扭曲了,並且太陽離我們太遠了,我們的肉眼分辨率又太低,看到的只是一個永恆的光團,而不是大大的蘑菇雲。


子未3


太陽中的氫絕大多數是同位素氕。雖然氕的聚變溫度門檻只有一千多萬K,但氕的聚變速度卻慢得令人髮指。所以太陽才能夠持續地維持發光幾十億年,而沒有一下子爆掉。氕這一點特性與它的另外兩個同位素兄弟氘和氚是截然不同的。氘氚聚變的門檻溫度奇高,達上億K,太陽最熱的核心也遠達不到這樣的門檻溫度,但氘氚聚變卻非常劇烈,會一下子全部燒完,所以才會用氘氚來做氫彈,而且要用原子彈來當“火柴”。讓地球上的人類很尷尬的就是,氫雖然在地球上廣泛存在,但氕的聚變效率太低,根本沒法實現自持,氘氚聚變又太劇烈,溫度門檻太高,難以控制。


雷哥77



輕核聚變反應發生反應只能在極高的溫度(>4000 0000℃)和足夠大的碰撞幾率條件下,才能大量發生。引爆氫彈極為困難,引爆需要在氫彈內部安放小型核彈,瞬間達到反應條件溫度。

其引爆原理是:當雷管引起普通炸藥爆炸時,就將分開的核裝料迅速壓攏,使其達到臨界質量,造成原子彈爆炸,即氫彈的“初級”爆炸;然後原子彈爆炸產生的幾千萬攝氏度高溫,使氘和氚的核外電子流統統剝離掉,成為一團由裸原子核和自由電子所組成的氣體,氘和氚以每秒幾百千米的速度互相碰撞,迅速、劇烈地進行合成氦的反應,巨大的聚變能量迸發而出,就造成氫彈的“次級”爆炸。這就是原子彈“扳機”引爆氫彈的全過程。


由於氫彈的反應過程與太陽剛好相反,氫彈是用高溫高壓聚攏,太陽內部的核反應僅在其中心,而且核爆後就把中心核裝藥向外炸散,因此太陽不會秒爆。氫彈是利用原子彈來提供高溫高壓條件,太陽則是利用自身的強大引力,在中心形成的高溫高壓條件。二者不可等同。另外告訴大家,太陽表面的光線到達地球需5分鐘,而其內部的核能量到達表面則需3千萬年。這個時間太長了,以致於即使太陽的核反應停止了,地球仍然還會有3千萬年的陽光沐浴。


春風化雨雨過無痕


核聚變反應的發生,比如氫核聚變成為氦原子核,因為要克服正電荷之間的能量勢壘,也就是兩個正電荷接近時產生的非常大的排斥力,所以原子核必須具備非常大的能量,也就是溫度和壓力都非常大。只有在某些特殊條件下才能實現。

太陽(恆星)和氫彈,屬於兩種類型的核聚變,太陽是引力約束,就是由於其巨大質量產生的壓力,使內部達到高溫高壓條件。所以在太陽生命的初期,有一個引力聚集質量,實現“點火”的過程。天文學家們也因此可以區分成功點火的恆星,和無法實現“點火”的褐矮星,因此我們也可以知道為什麼木星、地球這樣的行星本身不發光——質量太小了。

氫彈是利用原子彈爆炸(不可控的核裂變過程)產生的瞬間高溫高壓,使核聚變材料發生核聚變,既然原子彈只是“一次性消耗品”,高溫高壓條件無法維持多長時間,所以氫彈爆炸自然也是瞬間發生,無法持續。

太陽這樣的恆星不一樣,巨大的質量保證了它能夠長期處於高溫高壓狀態。而且還可以自我調節反應速度,這就是變星現象。實際上太陽也是一顆變星,亮度和大小都存在週期性變化,只是變化幅度非常小,我們平時覺察不出來。當引力收縮導致核反應速度加快時,產生的熱量(能量)增加,會使太陽物質發生膨脹,從而物質密度減少,從而導致溫度壓力密度的減少,使核反應速度變緩。這樣的自我調節機制,保證恆星在生命週期大部分時間可以平穩地發光。

所以,我們不僅僅要知道核聚變是什麼樣的原理,更要知道同樣的規律在不同條件下發生的時候,會表現為表觀差異非常大的現象。比如要想在地球上實現可控核聚變,讓它平穩高效地發電造福人類,就不能用氫彈這種毀滅一切地模式,也沒法用太陽這種無視一切的模式(地球質量太小,我們沒法“種太陽”)。物理學家們發明了電磁約束和激光約束模式,產生高溫高壓條件,又讓處於這樣極端條件下的核聚變材料能夠平穩反應,用來發電。


松鼠老孫


這個問題可以用一段通俗的話來回答,太陽之所以不會瞬間爆炸完成,是因為太陽引力大,雖有很高溫度,但引力牢牢固定住內部各組分等離子,也就是說其內部的等離子動能很大程度上被超大的引力消弱了,在某個時期內,並不是每個氫核都有機會與別的氫核相撞而發生聚變反應,因為太陽主要成分是氫,但也含有大量其他元素,這樣這些雜質也會起到阻隔氫核碰撞的機會。在某段時期內,少部分氫核有機會相撞發生聚變,大部分無機會安靜待著等待下次機會,長久處於動態平衡,如此過程已經持續了幾十億年,還會再持續幾十億年,這就是我們看到太陽不會瞬間爆炸吞沒地球而是長時間存在的根本原因。


分享到:


相關文章: