地球能夠孕育并維持生命,太陽輻射功不可沒。
太陽如同一位慷慨的 “財富大亨”,每秒向廣袤太空揮灑 22 萬億份能量 “財富”,地球有幸截獲其中一萬份,而最終被人類利用的僅僅約一份。如此驚人的能量究竟源自何處?
這背后的答案,就藏在太陽內核持續進行的核聚變反應中。
這種反應與氫彈爆炸的原理相似,然而,氫彈在瞬間釋放出全部能量,而太陽卻歷經近 50 億年的漫長歲月,且預計還將持續燃燒幾十億年。
為何二者會有如此巨大的差異?
要探究氫彈核聚變的奧秘,首先要理解核聚變的本質。
這里所說的 “核”,指的是原子核。核反應主要分為核聚變與核裂變。從字面含義不難理解,核聚變是指多個原子序數較小的原子核相互聚合,核裂變則是原子序數較大的原子核分裂成多個原子序數較小的原子核。
在這兩種核反應過程中,質量守恒定律并不適用,反應前后會出現質量虧損,而這部分虧損的質量會按照愛因斯坦質能方程 E=mc2,以能量的形式釋放出來,其中 c 代表光速,約為 3×10?m/s 。
依據這個方程,哪怕質量損失極其微小,也能釋放出極為巨大的能量。原子彈就是基于核裂變原理制造的,通常以鈾元素作為原料。
氫彈的原理則是核聚變,常用氫及其同位素作為燃料,具體來說,多使用氘和氚。
其反應過程為:氘 + 氚→氦 + 中子 + 能量(1.76×10?eV)。但要觸發這一反應,條件極為苛刻,僅溫度就必須達到上億度。
正因如此,氫彈并非單純的核聚變裝置,而是由核裂變與核聚變兩部分組成。科學家采用先引發核裂變反應的方法,利用核裂變產生的 X 射線對次級核聚變燃料進行壓縮與加熱,從而推動核聚變反應的發生。
太陽之所以能夠發生核聚變反應,關鍵在于其擁有龐大的質量。
追溯到 46 億年前,在如今太陽系所處的位置,存在一片跨度達 2 光年的分子云。這片分子云在引力的作用下發生坍縮,逐漸形成了太陽,剩余物質則構成了太陽系的其他天體。
太陽憑借占據太陽系總質量 99.86% 的絕對優勢,成為太陽系的主宰。由于質量巨大,太陽自身引力極強,在強大引力的擠壓下,太陽內部溫度急劇上升,物質呈現等離子態。
所謂等離子態,是指物質原子中的電子獲得足夠能量,擺脫了原子核的束縛,物質不再處于常見的氣態、液態或固態,而是形成了一種類似 “粒子粥” 的狀態,原子核、光子和電子在其中自由運動。
太陽物質的 73% 由氫原子構成,在太陽內部的等離子態環境下,大量氫原子電離,形成了占比達 73% 的自由氫原子核,即質子。
太陽內核的核聚變反應,本質上就是質子之間的融合過程。然而,質子都帶有正電荷,根據電荷同性相斥的原理,質子之間存在著強大的靜電斥力。
只有克服這一斥力,質子才能發生核融合。實際上,當兩個質子相互靠近時,在弱力的作用下,存在極其微小的概率使其中一個質子轉變為中子,隨后質子與中子結合形成氘核。
在現代物理學理論中,宇宙存在四種基本作用力,分別是強力、弱力、電磁力和引力。
其中,弱力和強力作用于原子核尺度,而在日常生活中,除引力外,諸如彈力、支持力等其他力本質上都屬于電磁力。
在這四種基本作用力中,引力強度最弱,其次是弱力,而強力則最為強大。弱力具有改變粒子種類的特性,放射性衰變現象就是弱力作用的結果。在太陽內核中,正是弱力促使質子向中子的轉變。
由于靜電斥力的阻礙以及弱力本身的微弱特性,太陽內部一個質子與其他質子相遇并轉變為氘核的概率極低,平均每 10 億年才可能發生一次。
但一旦這一步反應發生,后續的反應就相對容易進行。
最終,4 個質子經過一系列復雜的核融合過程,形成一個氦核,并釋放出大量能量。太陽內核主要進行的這種核聚變反應,被稱為質子 - 質子反應。
太陽擁有巨大的質量,其中質子數量極其龐大。
盡管質子融合反應的概率極低,但在太陽龐大的物質基數下,這一反應成為了必然。
不過,由于弱力微弱,太陽內核的核聚變反應并非像氫彈那樣瞬間爆發,而是以極為緩慢的速度進行。科學家通過模型計算發現,太陽內核的核聚變功率密度約為 276.5W/(m3),僅為一個 50 千克成年人單位消耗功率的十分之一。
這表明,太陽能夠釋放出巨大能量,并非因為反應劇烈,而是得益于其龐大的規模。
弱力的強度對太陽的壽命有著至關重要的影響。研究表明,如果弱力比當前強度增加 10%,太陽的壽命將縮短約 20%。若弱力強度進一步增大,可能在地球誕生人類之前,太陽就已走向衰亡。
因此,弱力的恰到好處,為人類的出現創造了不可或缺的條件,在宇宙演化的宏大進程中,埋下了生命誕生的伏筆。
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