太阳既然是核聚变反应,为什么不像氢弹一样瞬间炸完,而是持续不断地聚变反应?

GWBR


简单来说,其实太阳一直都在发生极其猛烈的“爆炸”,但太阳本身太大了,巨大的重力会抵消掉核聚变释放出的辐射压,所以太阳不会像氢弹那样瞬间炸毁。通过氢核聚变,太阳每秒制造出的能量高达3.828×10^26焦耳,这相当于18.2亿枚当量为5000万吨TNT的沙皇炸弹同时爆炸。在太阳自身重力的稳定下,如此巨大的能量释放不会炸毁太阳。

在太阳中,能发生核聚变反应的地方只有核心部分——从中心向外延伸五分之一至四分之一太阳半径的区域,而其他部分都没有条件进行核聚变反应。只有在极端高温和高压的环境中,氢原子核获得了足够动能,它们才能克服电磁力发生核聚变反应。

不过,虽然太阳核心中会发生核聚变反应,但那里的氢元素也不是一下子被消耗掉。这是因为氢原子核之间互相碰撞的可能性极低,需要发生量子隧穿效应。而且氢原子核碰撞之后形成的双质子(氦-2)极不稳定,它们在大多数时候会发生β+衰变,结果又会变成两个自由的氢原子核。据估计,对于太阳而言,一个氢原子核发生核聚变反应平均所需时间高达10亿年。正因为如此,太阳的核聚变反应速率会被重力控制在一定的范围之内,而不会引发太阳瞬间炸毁。


火星一号


太阳之所以不会炸掉,是因为有万有引力。

我们比较熟悉的氢弹,与太阳一样,都是使用核聚变产生能量。而一个重要的差别,就是氢弹会炸掉,而太阳不会。更重要的是,太阳每秒钟产生的能量,都远远超过一个氢弹爆炸的能量。

问题来了,为什么太阳不会炸掉呢?

原因在于太阳除了有向外的能量,还有向里面拉的力量。这个力量就是引力,热核反应产生高温,这个高温确实会使得物质有向外运动的趋势。但由于太阳巨大的质量,这些物质向外的速度会被引力势能所削弱。

举个例子,你向天上扔一个石头,它最终会落下来。这是因为有引力。

太阳热核反应产生的高压,之所以不会产生爆炸,也是因为有引力。

氢弹则不一样——它只有向外的力,而没有相反的力,这就会爆炸,它不会有一个平衡点。

同样的道理,如果太阳燃烧殆尽,先可能会膨胀,然后由于没有了向外的力,就会被引力拉向中心,就是所谓的「坍缩」,成为白矮星。

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章彦博


首先氢弹并没有炸完,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。


而可控核聚变的关键就在于,如何持续提供的一个足够强大的外力,维持住核聚变的持续发生,或者至少要发生到让输出的能量大于输入的能量,否则就成了亏能反应,而不是放能反应了。人类在发展可控核聚变技术时,发展了激光约束和磁约束等方法,试图持续的约束反应原料,不四处乱飞,而只在一个极小的范围内飞,这样才有足够多的机会彼此相撞。目前,约束时间的长短,是人类研发成功可控核聚变的关键,中国科学家已经能持续约束60秒,这是一个了不起的成绩。


其次氢弹的一瞬间的复杂度,如果没有了解,也会把这事想得过于简单化。

氢弹利用原子弹爆炸释放外力,将大量氢原子向内推挤,虽然核聚变依然只能发生短短的一瞬,但由于使用的氢原子足够多,那么在一瞬间之内有机会迎头相撞的氢原子也足够多,于是核聚变产生出来的能量也就会足够多。当然,如何让原子弹爆炸时的能量,能被利用起来,在从前也是最高军事机密。

图示:世界上当量最大的沙皇核弹爆炸过程示意图。沙皇核弹爆炸当量5000万吨TNT,设计当量一亿万吨TNT,但由于担心当量太大引发不可控的问题,在实际引爆的那颗沙皇炸弹,将当量缩减了一半。


首先用TNT提供的压力,让铀235彼此撞击,于是铀235发生链式反应,链式反应持续的时间越长,铀235释放出的能量越多,这涉及到原子弹如何设计的秘密。


利用铀235裂变释放出的大量能量,引发核聚变反应。氢弹虽然被称为氢弹,但实际上它不用氢,而是使用氢的同位素,氘和氚,因为氘和氚更不稳定,更容易发生核聚变。


最后,为了进一步提高核弹释放的能量,还装填了大量铀238,铀238很稳定,但在核聚变释放出的非常多超高速中子的撞击之下,铀238发生裂变释放能量。


所以,氢弹爆炸的一瞬间,可远没有想象中那么简单呢。

但不管怎样设计氢弹,由于缺乏外界约束,所有反应事实上都只能持续存在一瞬间,然后大多数原料就被炸飞了,并没有真的反应完全。


太阳上的核聚变

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。



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三思逍遥


氢弹是迄今为止人类制造出来的威力最大的炸弹,它利用的是原子的核聚变反应,而我们的太阳也是以核聚变反应向外面辐射能量,因此我们常说太阳就是一个巨型氢弹。那么问题来了,为什么氢弹的核聚变爆炸只在一瞬间,然而太阳的核聚变却可以进行100亿年呢?为什么它不会一下子爆掉呢?


首先必须指出的是,其实爆炸的氢弹它的核原料也并没有一下子爆炸完,科学家们要做的只是尽量的增多参与爆炸的核燃料罢了,因为可控核聚变是一个很难操作的事情,如果好操作的话,核聚变发电早就实现了,这是因为让氢原子撞击到一起形成氦原子是一种概率事件。

比如氢弹的爆炸,我们要先通过原子弹爆炸将氢原子(通常为氢的同位素氘和氚原子)挤压到一起,让它们在高温高压的条件下发生碰撞引发聚变反应,从而引起氢弹爆炸,但是在这一过程中,并非所有的氢原子都参与到了爆炸中,而是其中的一部分发生了反应,其产生的能量就已经十分惊人,当核聚变爆炸发生之后,产生的极高辐射压会把剩下的氢原子推向外部,氢原子也就不能相撞爆炸了,核聚变反应也就停止了,所以氢弹的爆炸只是一瞬间的事情。



太阳的核聚变和氢弹实际上略有不同,它的核聚变是由于自身引发的,由于巨大的质量产生的强大引力,造成了太阳内部的温度和压力都非常高,从而让氢原子向内核压缩,形成了沸腾的氢离子汤一样的情景,氢原子彼此间的剧烈撞击,有的氢原子的撞击力度超过临界值,于是核聚变发生了。


但是和氢弹的爆炸一样,太阳内部的氢原子撞击也都是概率事件,并不是所有的氢原子都在一瞬间撞击到一起了,只是有很少一部分的氢原子撞到一起,产生了聚变能,所以太阳不会顷刻间爆炸,而又由于太阳规模非常巨大,它内部的氢原子也非常多,至今仍然占到了太阳元素总量的75%以上,因此太阳可以长期持续的进行核聚变反应向外发光发热。

科学家们计算认为,太阳每秒钟有质量为6亿吨的氢经过热核聚变反应为5.96亿吨的氦,并释放出相当于400万吨氢的能量,每秒钟的核聚变能量相当于4亿亿颗广岛原子弹爆炸产生的能量,形成至今的50亿年已经烧掉了一百个地球质量左右的氢元素。



科普大世界


因为核反应仅仅在太阳中心的一小部分区域发生,它是持续均匀进行的,不是“爆炸性的”。太阳这种条件,我们称之为引力约束,就是太阳凭借其强大的引力提供高温高压条件,达到核反应所要求的临界条件。

核反应产生能量之后,能量逐步释放到外层,这个过程也是非常缓慢地。当然由于太阳本身质量很大,于是对我们来说,太阳能是海量的,我们如今能利用的仅仅是其中一小部分。可持续核聚变是我们梦寐以求的,因为我们拥有材料却无法像太阳这样“和平地”获得其中的能源。

核聚变反应的发生,比如氢核聚变成为氦原子核,因为要克服正电荷之间的能量势垒,也就是两个正电荷接近时产生的非常大的排斥力,所以原子核必须具备非常大的能量,也就是温度和压力都非常大。只有在某些特殊条件下才能实现。

太阳(恒星)和氢弹,属于两种类型的核聚变,太阳是引力约束,就是由于其巨大质量产生的压力,使内部达到高温高压条件。所以在太阳生命的初期,有一个引力聚集质量,实现“点火”的过程。天文学家们也因此可以区分成功点火的恒星,和无法实现“点火”的褐矮星,因此我们也可以知道为什么木星、地球这样的行星本身不发光——质量太小了。

氢弹是利用原子弹爆炸(不可控的核裂变过程)产生的瞬间高温高压,使核聚变材料发生核聚变,既然原子弹只是“一次性消耗品”,高温高压条件无法维持多长时间,所以氢弹爆炸自然也是瞬间发生,无法持续。

太阳这样的恒星不一样,巨大的质量保证了它能够长期处于高温高压状态。而且还可以自我调节反应速度,这就是变星现象。实际上太阳也是一颗变星,亮度和大小都存在周期性变化,只是变化幅度非常小,我们平时觉察不出来。当引力收缩导致核反应速度加快时,产生的热量(能量)增加,会使太阳物质发生膨胀,从而物质密度减少,从而导致温度压力密度的减少,使核反应速度变缓。这样的自我调节机制,保证恒星在生命周期大部分时间可以平稳地发光。

所以,我们不仅仅要知道核聚变是什么样的原理,更要知道同样的规律在不同条件下发生的时候,会表现为表观差异非常大的现象。比如要想在地球上实现可控核聚变,让它平稳高效地发电造福人类,就不能用氢弹这种毁灭一切地模式,也没法用太阳这种无视一切的模式(地球质量太小,我们没法“种太阳”)。物理学家们发明了电磁约束和激光约束模式,产生高温高压条件,又让处于这样极端条件下的核聚变材料能够平稳反应,用来发电。


松鼠老孙


氢弹:我要是有太阳那么大,你就不会这么说了。

核武器,无论是原子弹,氢弹还是其他变种的核武器,都存在一个致命的问题,那就是它的装药总爆炸当量远大于它的实际爆炸当量。这是因为爆炸产生的巨大能量把更多来不及参与核反应的装药材料给吹散了。而当核装药的密度或者质量低于裂/聚变的临界值的时候,核反应就不在继续了。

比如,把两块稍低于临界值的丰度高于95%的核装药级的U235凑到一块时,它会因为总质量超过了临界值而立刻发生核裂变。但两块U235接触的地方会因为核裂变产生的高能而瞬间分开。而分开后的两块U235就又都因小于其裂变的临界值了而不会继续进行裂变反应了,它们又成了两块由放射性元素组成的金属块了。当年,美国在广岛扔下的原子弹的装药是U235,其装有60公斤U235,但实际参与了裂变的只有1.5公斤左右。其余的U235都没来得及裂变就被吹散了。这些被吹散的U235就是如今广岛核爆中心依旧不能住人的主要原因。

氢弹的情况也是大致如此。相比原子弹,氢弹的技术难度更高,这是因为氢发生核聚变的条件远比原子弹苛刻。氢弹装药没有临界值,不会自行发生核聚变,聚变材料需要在数百万℃的高温下才会发生核聚变反应。因此,氢弹通常是要通过一个内置的小型原子弹来引爆的聚变材料。只是原子弹产生的高温虽然可以引爆聚变材料,但原子弹爆炸和率先发生核聚变的部分核装药聚变时所产生的超高压则会瞬间吹散剩余的聚变材料。如何寻找它们之间的平衡点,赶在聚变材料被吹散之前能有尽可能多的聚变材料参与核反应,考验着各国最顶级的核物理科学家。

换句话说,制约氢弹爆炸当量的,其实就是它本身。

而太阳的情况则完全不同了。因为太阳的质量和体积都足够大,其内部发生核聚变时,所产生的巨大能量同样会吹散其他参与聚变的聚变材料。但由于其超大质量产生的超大引力,被吹散的聚变材料又会被重新拉了回去继续参与核聚变。只有那些超高速的高能粒子才能冲破引力,从太阳内部逃逸出来。

不过,由于太阳的体积和质量有些过大,从而导致了其除了核心区域外的氢元素难以进入核心区参与核聚变。这种情况,随着恒星的质量增大而愈加严重。也就是说恒星越大,其内部对流越不顺畅。而更大的质量又导致其核心区更剧烈的核反应。这就是质量越大的恒星,寿命越短的原因。

相比之下,比太阳小得多的另一种矮恒星---红矮星就完全不同了。因为其质量要比太阳小得多,因此,其核心区的聚变反应要平稳的多,外部对流层和平流层异常活跃,外层的聚变材料可以进入核心区参与核聚变。因此数百亿年的主序期已经不再是红矮星追求的目标了,数千亿年才是。

还有一种比红矮星质量更小的另类恒星,那就是被称作“失败的恒星”的褐矮星。它们的情况就跟两块处于亚临界的U235碰一块的情况一样。因为它们的质量不足以使其核心区发生持续的核聚变。因此,其核心区一旦有了聚变反应,就把其他聚变材料给“吹散”了。要等到它们重新聚集在核心区以后,才会继续核聚变,然后又被“吹散”。。。。。。一直这样无限循环下去。

虽然是太阳和氢弹的原理一样,但质量是相差太多太多了。


陌上云白


太阳就像是一个巨大的氢弹,每时每刻它上面都在进行着剧烈的核聚变反应,产生巨大的光和热,为地球的生命活动提供源源不断的能量供应。自太阳诞生至今,已经过去了50亿年了,但是太阳的质量损失不过万分之一罢了,太阳能量耗尽,还需要50亿年的时间。



首先了解一下什么是核聚变反应:要想发生核聚变反应,就要让原子核之间的距离足够近,而原子核与原子核之间由于带相同电荷的原因而彼此相互排斥,这就要求原子核需要具有足够的动能,对于某一温度的物质,其组成粒子有一定的速率分布,动能较大和较小的粒子所占的比例都非常小,别看太阳的温度有1000万度以上,但也只有很小一部分比例的粒子有足够的速度产生核聚变,所以太阳不是瞬间进行核聚变,而是持续进行。

另外,质量越大的恒星其中心温度越高,达到核聚变要求的粒子比例也就越高,所以说质量越大的恒星燃烧得更快,寿命也就更短了。而温度越高也导致物质的原子间距变大,使热核反应的激烈程度下降,这样也是形成了一种负反馈,造成了热核反应趋于一种稳定的状态,使太阳得以长久生存下去。此外,我曾经在一本书上看到过太阳产生核聚变反应的地方仅仅是在距离太阳表面70万公里的深处,热核聚变反应虽然时时刻刻都可以发生,但是其产生的能量却没有那么轻易地就可以出来,从其产生到跑到太阳的表面,需要几百万年的时间,所以可以说此刻太阳所发出的光,其实早在几百万面前的热核聚变反应中就产生了。所以,太阳的能量就是这么慢慢地被释放出来的,一时半会它还不会把能量全部吐出来。


太阳每秒钟会消耗600万吨的氢,但是因为它的氢储量是天文数字,所以还有约50亿年的寿命,等氢消耗得差不多了,再进行更重元素的合成,那么太阳就离死不远了。


镜像宇宙


很重要的一个原因是核聚变产生向外的推力与太阳的万有引力去取得了平衡,这是太阳能够持续核聚变的主要原因,它让太阳能够持续发光发热了将近50亿年,并还将持续下去,直到100亿年之久!

这种平衡其实很好理解,就是一个向外的力(核聚变)和一个向内的力(万有引力)取得的一种完美平衡!而一旦这种平衡被打破,太阳也将不复存在!

比如说核聚变占据统治地位,太阳会被“炸飞”自我解体。而如果万有引力占据主导地位,太阳就会迅速坍缩!

还有一个原因就是核聚变并不是在整个太阳一起发生,而只是在内核发生。因为核聚变需要极高的温度压力,只有内核才能满足这种条件,那里的温度高达1500万摄氏度,而太阳表面温度仅有6000摄氏度左右!

多亏了太阳的这种平衡机制,才有了长达数十亿年发光发热的稳定,给地球充分的时间产生生命并最终进化出人类这种智慧生命!


宇宙探索


答:因为太阳的引力实在太大了;在太阳内部发生的核聚变反应,比氢弹爆炸强烈数亿倍,但是爆炸抛出的大部分物质最终都会落回太阳表面,使得太阳整体并不会四分五裂。


太阳和氢弹的核反应都是聚变,太阳每秒释放能量约3.8*10^26焦耳,相当于4.5万亿颗广岛原子弹释放的能量总和;太阳的引力非常大,表面逃逸速度高达617.7km/s。



也就是说:太阳表面的高能粒子(非光子),要想彻底逃离太阳的引力作用,其速度至少要达到617.7km/s(不考虑磁场的加速效果)才行。


那么,就算太阳内部时刻都在发生强烈的核反应,爆炸激起的物质很大一部分还会落回太阳表面,比如太阳的日珥活动:



由太阳表面喷出的日珥物质,喷出高度可达100万多公里,但是在太阳强大的引力作用下,绝大部分物质还会落回太阳表面。


所以太阳因爆炸喷出物质的减少量,对自身重量的影响并不大,太阳的质量损失主要源于质能转化。

因为质能转化的大部分能量,都转化成了光子,光子虽然受引力的影响,但是并不会减速;因为光子在真空中的传播速度是一定的,引力的影响只会体现在光子的波长上。



氢弹和太阳的这种差异,就有点类似于:一滴水落在600℃的铁块上,水滴瞬间会蒸发掉;但是一盆水放在600℃的火焰上烧,盆里的水只会慢慢沸腾蒸发。


好啦!我的答案就到这里,喜欢我们答案的读者朋友,记得点击关注我们——艾伯史密斯!


艾伯史密斯


太阳既然是核聚变反应,为什么不像氢弹一样瞬间炸完,而是持续不断地聚变反应?

太阳表面的活动十分剧烈,与之相比地球上的氢弹爆炸,几乎就是飓风中的一根火柴,那一下划燃的闪光表示这根火柴存在过,但也仅仅如此而已...

太阳上巨大的磁暴活动,这个尺度比地球大多了!但您如果认为这里就是太阳的聚变反应区域那就完全错了,太阳的核聚变反应区域只存在于0.25个太阳半径区域!

只有中心0.25R的区域内才是太阳内部发生核聚变的区域,在这个位置每秒有5.645亿吨氢元素聚变成5.6亿吨氦元素,其中消失的400多万吨质量就彻底转换成了能量,这个级别比起地球上的氢弹爆炸,那连飓风中的火柴都高估了......

但为何太阳并没有在如此大能量的爆发中分崩离析呢?很简单完全是因为这个内核区域巨大的压力束缚!

在太阳外层物质如此巨大的压力下,天文数字般能量释放的核聚变犹如驯服了的野兽,在中心区域内时时刻刻“安静”的进行着,而这个能量则通过对流的形式经过数百万年的艰苦跋涉才会到达太阳表面,然后以光的形式进入宇宙空间....约8.3分钟才映入您的眼帘,世间万物,无不沐浴于阳光之下,人间百态,让各位尽收眼底....这就是太阳,尽管它未来将是扼杀地球的凶手,但在暴躁的脾气爆发之前,它依然是我们唯一的依靠!

不过为时尚早,担心的各位朋友洗洗睡吧!


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