地理那些事

氢弹的核聚变反应

氢弹其实已经是我们耳熟能详的大规模杀伤性武器了。而氢弹的原理说白了就是核聚变反应。那什么是核核聚变呢？

简单来说是这样的，科学家发现，宇宙中存在着不同的元素原子，它们的区别在于原子核内的质子数不同。

在这些原子中，铁原子核是最稳定的，铁之前的元素原子核都有聚合的趋势，铁之后的的元素原子都有裂变的趋势。所谓“趋势”，就是说整个反应的过程是释放能量的，而不是吸收能量。

而原子弹利用的是比铁元素原子序数大的元素可以裂变产生能量的原理。比如，比较常见的就是铀235。

不过这里补充一点，原子核除了核裂变之外，还有链式反应，那什么是链式反应？

其实就是不断核裂变地过程。

而原子序数比铁元素小的元素原子核可以发生聚变，氢弹利用的就是氢核聚变，氢的同位素氘和氚聚合成一个氦4，并释放出一个中子以及能量。

不过，核聚变对反应的条件要求特别高，氢核聚变反应已经是要求最低的了，但也需要1亿度。所以，我们用常规手段是没有办法直接引爆氢弹的。一般来说，引爆氢弹之前，都会先引爆一颗原子弹，这样才能达到引爆氢弹的反应条件。

弱相互作用

我们要知道的是，太阳的内核燃烧是没有原子弹来引爆的，同时也没有达到1亿度。那太阳的内核为什么还会燃烧呢？

我们首先要知道的是太阳的质量特别大，整个太阳系99.86%的质量是太阳的质量，而太阳的是由于分子云在引力坍缩下逐渐形成的，内核由于引力的挤压，导致温度急剧升高，达到了1500万度以及200多万个大气压。但是，这并不能够引发核聚变反应。

但实际上，此时的太阳的核心是处于一个奇怪的状态，并不是常规的三态。（气态、液态、固态，）而是一种叫做等离子态。

在等离子态的状态下，原子结构是不存在的，整个就是一个粒子粥，电子，原子核到处乱窜。

而要发生核反应的其实是氢原子核，它们带正电，所谓同种电荷互相排斥，因此由于库仑力的存在，两个氢原子核（实际上就是质子）相遇都很难，更不要说核聚变反应了。

如果在宏观世界里，这样的反应是不可能发生的。但是在微观世界里不同，微观世界里有一种量子效应，现在被我们叫做量子隧穿效应。

也就是说，即使有势能的壁垒（需要消耗大量能量才能做成的事情），在微观世界中也有一定的概率能发生。

具体来说是这样的，在自然界中存在着4种作用力，分别是强相互作用，电磁相互作用、引力以及弱相互作用。而其中弱相互作用要比强相互作用和电磁相互作用弱一些。

基于量子隧穿效应，弱力可以使得质子和质子发生核聚变反应。但是由于弱力很弱以及量子隧穿效应其实发生的概率也很低，因此太阳的核聚变反应其实是很温和地进行，而不是像氢弹那样一下子全炸了。而且太阳内核主要进行的氢核聚变反应也要比氢弹的原理稍微复杂一些，是4个质子发生核聚变反应生成一个氦4。

这个过程也被我们称为质子-质子反应链。除了这个反应链，恒星内部还存在着碳氮氧循环反应链，只不过这种形式在太阳中的占比很低，不过结果类似，也是四个氢原子核聚变反应生成氦-4。

也就是说，核聚变反应温度不够的问题其实是由于量子隧穿效应和弱相互作用的共同结果。

钟铭聊科学

太阳核心温度只有1500万度，远达不到1亿度的温度环境，为什么还能发生核聚变？

全世界穷尽一切努力正在建设商业核聚变实验堆ITER，它的目标是远超一亿度以上的高温，并且保持超过500秒以上的时间，以让参与聚变的氚氘达到聚变条件，原子核在超高温下突破库仑障壁，聚合在一起形成氦四，同时释放出巨大的能量！

看到这里相信很多朋友都会有一个疑问，教科书上写着太阳中心温度也就1500万度，而ITER第一次开机运行的温度也远超1500万度，为什么太阳能行而ITER不行？

太阳除了有1500万度的高温外还有什么？

太阳是一个直径接近140万千米的等离子火球，尽管早期天文学家并不清楚太阳的发光原理是什么，但也知道太阳中心的温度会在引力坍缩的作用下变得极高，到底有多高呢？

在距离太阳不超过五分之一半径的区域内，温度接近1360万K，而太阳表面只有5800K，当然除了这些以外还有一个产生这个高温的一个途径：超高压，这是太阳外围将近100多万千米厚度的质量压缩导致的，中心压力超过2500亿个大气压，这个压力下太阳内核物质密度高达水的150倍！

而太阳内核的氢元素就在太阳内核高温+高压的环境下正在源源不断转换为氦元素，而太阳表面的光合热就来自于内核的的聚变，每秒有超过6.2亿吨的氢元素聚变成氦元素，质量亏损超过430万吨，各位有兴趣的朋友可以用爱因斯坦的质能方程计算下，太阳每秒释放的能量有多大！

只有高温和高压就能聚变了吗？

1920年爱丁顿爵士提出了太阳的氢聚变成氦的反应中产生能量的模型，并且提出了在恒星内部可能会产生更重的元素！但科学家经过计算发现，太阳内核的温度与压力并不足以产生氢元素核聚变，这里要强调一下，太阳上最多的元素是氢元素，但却是氢的同位素氕，而ITER反应堆中用的是氢同位素氘和氚，必须要来区分下！

氕是氢同位素中比例最高的，自然界中超过99.8%都是氕，而氘的比例则低于0.2%，氚因为存在半衰期，自然界比例是极低的！ITER中使用的聚变材料是氘和氚，因为这两中元素的比结合能比较小，比较容易达到聚变条件！

但太阳不会有人给它制造氘元素，只能由它自己制造，因此科学家计算后氕无法形成聚变，着实让他们有些尴尬，不过1928年乔治·伽莫夫推导出了在两个原子核在足够近的条件下，强力可以克服库仑障壁的量子力学公式，也就是现在俗称的量子隧穿效应！

这个效率非常低，平均有十亿个原子核才会有一对聚变成功，其实这反而是太阳长达100亿年的发光发热的保证，因为太阳内核的氢元素转换成氦元素的速度取决于氕元素聚变成氘元素的速度，这一点上量子隧穿效应成了控制恒星寿命的关键！

太阳内核的质子反应链，从氕氘氦四的过程，太阳现在还处在氢燃烧的主序星时代，内核只是累积氦元素，但温度还不足以达到氦元素聚变。

氘氚核聚变过程

质子反应链没有氘氚聚变的过程，对于太阳来说氘氘聚变或者氕氘聚变已经是一件很容易的事了，但对于人类来说氘氚聚变难度仍然要低于氘氘聚变，尽管氚价格极其昂贵，但仍然义无反顾的选择了氘氚聚变，原因之一是氘氚容易实现，其二是氘氚聚变能产生中子，轰击锂-6可以自持产生氚，似乎有一种增值堆的味道，但氚的回收与利用仍然难度极大！

在没有高压加持的ITER反应堆内部，想要实现更高比例的聚变以及自持反应，唯一的途径是达到超高温并且保持足够久的时间，但随之而来对反应堆内部的超高要求，让参与ITER建设的各个国家焦头烂额，比如ITER的结构是超导托卡马克中的等离子体电流高达千万安培，扭曲模以及磁岛与磁面撕裂问题极其严重，一旦失控轻则熄火，重则可能发生爆炸！

当然磁约束核聚变的另一个突破口与惯性约束的激光点火核聚变装置，三者都是难兄难弟，没有一家达到商业级别，而ITER则在8个国家将近160亿欧元的投入下进度最快，也早已实现核聚变反应，但要达到核聚变商业运行，鬼知道还要多久！但我们对ITER依然保持信心！

星辰大海路上的种花家

温度在不同阶段会有变化。分孑云发生坍缩后，一些较重物质不断落入中心，中心密度大幅度增加，压力也随之增大，温度不断升高，这时的温度为1500万度。

只有在大的压力和相互撞击中，质子才能从原孑中剥离，原子被剝离电子，形成等离子汤，然后才是链式反应。但是这时的物质继续落入中心，其结果是压力进一步增大，温度继续升高，这时温度最高达到3000万度。

在完成由氢核向氦核转变以后，恒星的引力和聚变逐步趋于平稳，其内部温度可能会有下降。

2020-1-15

手机用户54578927414

核聚变过程发生在太阳的核心。想象一下处于太阳的中心。大量的氢和氦从四面八方压在你身上。太阳核心的氢紧紧地挤在一起，四个氢原子核心结合形成一个氦，这叫做核聚变。在这个过程中，一些氢原子的质量以光的形式转化为能量。 氢弹也有同样的过程。

在太阳里，这个过程是以可控的方式发生的。在氢弹中，它在一次大的连锁反应中爆炸。在太阳的核心，每秒产生的能量相当于150亿颗百万吨级氢弹。太阳不会因为四面八方巨大的气压而碎裂。它正好平衡了所有能量产生的压力。如果聚变率下降，太阳核心产生的能量减少，那么重力将导致太阳开始坍塌。这反过来会将氢原子挤压得更近，直到聚变量上升到刚好足以产生再次支撑它所需的能量。

如果太阳核心的聚变率上升到很高，那么压力会使太阳膨胀一点，这样氢就不会聚集得很紧密。当太阳核心外面的重量正好平衡了产生的所有能量的压力时，再一次达到了正确的平衡。 太阳核心聚变导致过多的能量以热和光的形式释放出来。为了离开太阳，这种能量必须穿过许多层到达光球层作为阳光出现在太空之前。

只有大约0.7%转化为能量。虽然这看起来像不大，但这等于426万吨物质每秒钟被转化成能量。使用质能公式，我们发现这426万吨物质约等于太阳每秒释放3.8×10^26 焦耳的能量！

军机处留级大学士

恒星的温度并不都是均匀的，内部和外部的温度也不一样，在太阳的核心引力吸引会产生巨大的压力和温度，于是太阳的核心温度可达到1500万℃，而太阳的表面温度却只有5500℃。

核聚变反应的原理

核聚变是原子核之间进行的反应，是指将两个较轻的核结合，形成一个较重的核和一个极轻的核或粒子的一种核反应形式。也就是轻原子核，主要指氘或氚在一定的条件下（高温和高压）发生原子核的相互作用，结合成质量更重的原子核，同时会释放出巨大能量的一个过程。

对于核聚变相信很多人都听说过，核聚变是会产生巨大的能量，并且氢弹的爆炸也是核聚变原理，而发生核聚变的条件就是足够的压力和温度，太阳核心温度只有1500万℃。

那太阳为什么还能发生核聚变呢？

前面提到核聚变的条件是高温高压，而太阳核聚变的动力还有一部分是由于太阳巨大的质量所带有的引力。众所周知，太阳的质量非常大，太阳占据了整个太阳系质量的99.86%，总质量高达1.9891×10³⁰kg，而且太阳内部4.75%以上都是由氢元素构成的。

质量如此大的太阳，引力也是非常大的，正是由于引力的作用，会让太阳内部的物质受到巨大的压力，在高压下，核聚变的反应也变的剧烈起来，然后氢元素就会发生反应变成氦。

总结一下，核聚变的两个条件高温和高压，在地球上，人类在制造出超高温促进核聚变的同时，还会增加压力使得反应进程。不过资料显示，我国人造太阳的内部温度已经达到了1亿摄氏度！

小杨说地球

关于太阳内部核聚变的介绍，我们在很多时候都基本是围绕着“太阳内部温度极高、压力极大”这两点进行说明，实际上这并不充分，或者说应当提及的一个量子效应（量子隧道效应）在很多时候都没有说明，不过小编在很久之前专门写过一篇文章进行介绍过，下面咱们就简单说说。

历史上，科学家们对于太阳如何发光这个问题提出过很多假设，其中最为我们所熟知的就是：太阳是一个大煤球，在不断燃烧（这个观点在今天看来是非常可笑的），还有一些其它观点就不再赘述了。

关于太阳为何发光，我们现在的理论是认为太阳内部发生了核聚变反应，而这个观点最早是由爱丁顿提出的，不过限于当时所处的年代，人们对于微观层面的相互作用理论并不完善，核聚变的这个理论并不成熟。

但随着量子力学的深入研究以及人类在1932年第一次发现了中子，核聚变观点有了被解释的切实基础，而这个努力主要由物理学家汉斯·贝特完成。他提出了著名的质子—质子链反应，氢核聚变为氦核，释放出巨大能量，并且由于量子隧道效应的存在，使得质子可以在不太高的温度下，越过势垒，与其它质子靠近，或者进行一些其它过程。

因为太阳内部反应区的温度就不需要太高，大约在1500万摄氏度即可（虽然这个温度对于地球上的我们来讲依旧是一个天文数值）。

对于这个观点，我们可以看到上图（质子—质子链反应），其中除了最主要的聚变外，在这个过程中还会释放出中微子，而为了在实际情况下检验太阳核聚变理论是否正确，就可以看看是否能在试验中检测到太阳中微子的存在。

而这项试验科学家们花了大半个世纪才完成，直到20世纪末21世纪初才确认了太阳内部中微子的存在。

总的来说，太阳核聚变理论的提出以及完善过程，体现了科学家们对自然界坚持不懈、认真严谨的求真态度，实属不易。

期待您的点评和关注哦！

赛先生科普

1952年11月1日美国在珊瑚岛试爆的“迈克”氢弹威力达到了1000万吨TNT当量，人类从此便开始致力于将不可控的氢弹变成可控的核聚变反应堆

从上世纪开始到今天，世界各国和组织都在攻关可控核聚变技术并把它当做解决人类能源问题的终极办法，代号LTER的商业核聚变实验堆目前已经可以生成超过1亿度的高温，但由于种种问题却始终无法将其长时间保持，可控核聚变技术一时陷入了僵局。

然而在1.5亿公里外的太空中就有一个天然的可控核聚变反应堆“太阳”，并且太阳核心的温度只有1500万度，那么为什么一亿度高温的LTER没有实现可控核聚变，1500万度的太阳核心却实现了呢？

然而地球上托卡马克装置内部的压力远不足以让氢元素克服库仑力来进行温和聚变，因此人类只能用超高温与磁约束来维持核聚变反应并将它隔离。

尽管人类对于太阳核聚变反应的全过程已经十分清楚，但在托卡马克装置内还原可控核聚变还是会遭到诸如材料等一系列问题，因此还出现了一句话叫“距离可控核聚变实现永远只有50年”

按照目前各国聚变堆的研制进度来看，2050年前后就能出现商用聚变堆

宇宙探索未解之迷

之所以我们能感受到高温度，完全是因为太阳发出的等离子体在真空状态下与地球或者其他物质摩擦生热的。就像太阳风暴的产生像极了雷暴现象下的等离子爆炸引起的自然现象，因为如果太阳是氢碳反应自热的，那作为稳定体它为何还要有周期性的不稳定性？？同时，地球不算离太阳近的星体能感受到的温度和离太阳近的星体温度必然不同，意思是离太阳越近应该更热，但是我们发现离太阳近的星体没有发生特别热的现象，热的超乎想象的状态，就假如太阳有一亿度温度，那离它最近的就算没有一千万度也应该有五百万度，星球可以直接燃烧了，可惜没有，就像他们离太阳近但是也只能感受到自身适应的温度，这就可以说太阳本身温度不高，只是它散发的等离子强，等离子与星球空间物质摩擦才产生了热，有多少物质就可以产生多少热，感受多少热！

炊烟依旧印染琅山

密度足够大，温度是平均动能，粒子的动能遵守高斯分布，较大动能的就有可能发生聚变，而且还有隧道效应，高密度未增加了聚变的概率

手办萌国

在核反应发现之前，人们只知道化学反应，化学反应的本质就是构成分子的原子或者原子团的重新组合，即一个原本的分子被拆开，然后合成新的分子，在这个过程中就会有化学键的断裂和合成，化学键断裂和合成的过程就会吸收和释放能量。

如果按照举一反三的思路，原子比分子更小，原子如果可以再分，那么原子拆开和组合的过程也可以释放能量，这个猜想是对的，但是原子拆分成电子和原子核吸收和释放能量并不是什么明显，当时的物理学家也没有继续深入的猜想，因此也没有意的发现核反应。

核反应大致分为两类：核裂变和核聚变。

虽然抬头看见的太阳就是核聚变反应，但是太阳离地球太过遥远，人们最先发现的是核裂变，从核裂变得到启发后才开始核聚变，后发现核聚变的另一个原因是核聚变的条件非常苛刻：高温和高压，地球上很难创造这样的反应环境。

核聚变反应为什么难发生呢？

库仑力是存在于带电体的普遍的力，原子核带正电，这样两个原子核之前就存在着斥力。

原子核的之间还存在着核力，核力是吸引力，这也是原子核能够稳定存在的原因，但是核力作用范围很短，要求两个原子核距离近到10^(-20)米，但由于库仑力的存在，原子核不可能靠的这么近。

创造条件发生核聚变反应

原子核就那么小，大小仅有10^(-15)米，原子的体积大小是原子核的10^(15)倍，也就是说偌大的原子，原子核仅仅占了一点空间，让两个原子核距离小于10^(-20)米，和在海洋里放小鱼，等两条小鱼碰撞到一起的概率是差不多的。

为了让原子核距离靠的近，就需要准确碰撞，稍微偏一点就会因为两者之间存在斥力而擦肩而过。

核物理学家想了一个方法，首先让原子核燥起来，通过高温加热，微观粒子的热运动变得剧烈起来，但这还不够，还需要增加原子核的密度。

核聚变反应有个劳逊条件，根据劳逊条件，原子核密度增加十倍，核聚变发生的概率就增加一百倍。

太阳中心不仅有着1500万摄氏度的高温，还有着2.33*10^16 Pa 的压强，地球上任何实验室都无法创造出如此高的压强环境，这也是太阳内部虽然温度较低，但能够发生核反应的原因。

总结一下

太阳依靠内部极高的压力，弥补了温度上的欠缺，从而保证了核反应的进行。

今天的科普就到这里了，更多科普欢迎关注本号！

關鍵字: 核聚变 科学 氢弹