04.17 既然太陽會發生核聚變反應,為什麼它不會瞬間爆炸?

既然太陽會發生核聚變反應,為什麼它不會瞬間爆炸?

太陽為什麼不會爆炸?

由於太陽自身巨大的重力擠壓,使其核心的壓力和溫度變得極高,形成了可以發生核聚變反應的環境。氫原子核通過質子-質子鏈反應以及碳氮氧循環(主要是前者)結合成氦原子核(氦-4),同時釋放出巨大的能量。但是為什麼所有的氫原子核不會瞬間聚變呢?或者說太陽為什麼不會一下子爆炸?

一切都從核心開始。太陽核心的核聚變產生的輻射壓力會被自身重力所平衡,所以太陽不會一下子爆炸。在高能量和高密度的太陽核心中,氫原子核(即質子)不斷相互碰撞。但只有通過量子隧穿效應,質子碰撞形成雙質子或氦-2(氦的同位素,有兩個質子,沒有中子),然後迅速衰變為氘原子(氫的同位素,有一個質子和一箇中子),核聚變反應才會開始。這是質子-質子鏈反應的第一階段。要形成穩定的氦-4原子核,還需要中子。那麼。中子是從哪裡來的?

既然太陽會發生核聚變反應,為什麼它不會瞬間爆炸?

質子-質子鏈反應

很明顯,要形成一個氘原子,需要發生兩件重要的事情。一個是伴隨量子隧穿效應的質子-質子完美碰撞,另一個是氦-2原子核內一個質子的β+衰變,將其轉化為所需的中子。從這裡開始,氘在質子-質子鏈反應的下一個階段最終形成氦-4。

兩個高能質子碰撞形成雙質子的概率遠小於質子間不經意碰撞並相互反彈的概率。即使它們碰撞形成一個雙質子,也有另一個抑制因素,即β+衰變。大多數時候,雙質子會衰變回兩個質子。因此,這個初始階段就是控制太陽消耗氫的速率。這種完美狀態的形成最終導致一種緩慢的核聚變反應過程,這也是決定恆星年齡的因素之一。

雖然這些條件控制著氫原子核的消耗速率,但太陽作為一個整體系統,試圖通過控制這些條件來控制自身,使核聚變以一定的速率發生。那麼,這是如何控制的呢?

既然太陽會發生核聚變反應,為什麼它不會瞬間爆炸?

太陽的內部結構

當核心的溫度和密度足夠高時,就會加快質子碰撞形成雙質子的速率,這也就增加了整體的核聚變反應速率,並且會產生更多的能量,導致熱膨脹,抵消了太陽的重力。當核心膨脹時,密度和溫度下降,成功碰撞的概率減小。熱核反應率降低,從而控制自身。

同樣的道理,如果核聚變速率變慢,重力又開始擠壓核心,這反過來又增加了溫度和密度,成功碰撞的機率又提高了。最後,熱核反應率增加到足以平衡自身的重力,並使太陽以每秒消耗3.7×10^38個氫原子核的最優速率持續下去。

最終,這一切都將在60到70億後結束。到了那時,太陽的核心演變成白矮星,並留下行星狀星雲。


分享到:


相關文章: