先說答案:太陽能維持穩定而不發生爆炸的原因是核聚變輻射的能量產生的熱膨脹與引力造成的向內坍縮取得了平衡。下面我們來詳細分析。
太陽能量來源之謎
太陽光滋養萬物,是地球生命的能量來源。古時候人們一直好奇太陽輻射的能量來源,那時人類知識匱乏,曾有人認為它是燒煤的,也有人認為是通過摩擦生熱,隨著熱力學的發展,又有理論認為熱量來自于太陽引力作用下的氣體壓縮……但這些猜想在當時都有一個共同的BUG:它燒不了那么久。無論是哪一種發熱方式,按照那時探測到的太陽系年齡,太陽早該冷卻了……直到上世紀初,科學家發現了原子核的聚變反應,太陽能量來源之謎才正式解開。
太陽能量來源——氫核聚變
所謂核聚變,就是原子在高溫高壓作用下,核外電子脫離原子核束縛,成為游離的等離子態,失去核外電子的原子核之間在高溫和高壓下發生聚合反應,并被強核力鎖死成為新的原子核。在這個聚合過程中會釋放巨大的能量!當然這個“巨大”是相對于原子核而言的……在太陽核心發生的整個氫核聚變過程中,約0.7%的質量轉化成能量以輻射的形式釋放出去。
氫核聚變的能量釋放有多強?
也許你看了上面的數字依然沒有任何概念,這0.7%質能轉化率的能量釋放很強嗎?是真的很強,我拿幾樣大家熟悉的燃燒爆炸物來對比一下你就知道氫核聚變有多強了:
TNT炸藥的質能轉化率僅為0.000000004673%
汽油的質能轉化率僅為0.000000048957%
如果還不了解它的可怕,那我們拿廣島原子彈來說,鈾-235的質能轉化率為0.091%,當時裝填了60kg的鈾-235僅反應了1kg,就把一座城市摧毀了!……
而鈾-235的質能轉化率僅為氫核聚變的13%左右,能理解氫核聚變的可怕了嗎?
太陽里的氫核聚變有多強?
前面提到廣島原子彈只反應了1kg左右的鈾-235,而鈾-235僅有氫核聚變的13%左右的質能轉化率,這意味著只需要130g的氫核聚變就能擁有廣島原子彈相同的威力,比一臺智能手機還輕。
那太陽上每分每秒有多少氫在發生核聚變呢?根據資料,太陽每秒通過氫核聚變消耗的質量約有426萬噸,按照0.7%的質能轉化率,相當于每秒有60857噸氫發生核聚變反應!也就是相當于468131868個廣島原子彈同時爆炸!
太陽為什么沒有炸毀?
內部這么激烈的爆炸為什么沒把太陽炸毀?答案就是因為引力!前面說過,核聚變發生的條件就是高溫和高壓,高溫可來自于多種因素共同作用:引力產生的擠壓、等離子態運動產生的摩擦、核聚變能量釋放等。而高壓除卻以上原因產生的高溫壓力以外,最主要就來自于引力。外層物質在引力的作用下不斷向中心擠壓,由于太陽巨大的質量,就在內部產生巨大的壓力,而這個壓力就是阻止太陽劇烈膨脹乃至炸開的原因。
微妙的平衡是怎樣形成的?
持續的核聚變和適當的壓力是太陽穩定燃燒的前提條件,這兩是怎樣取得平衡的呢?當原始星云氣體向中心聚集并在重力作用下向內坍縮的時候,壓縮產生的高溫使核心附近的氣體電離,核外電子脫離原子核束縛成為游離狀態,原子核因此被擠壓靠得更近,隨著引力坍縮的繼續,核心溫度和壓力都持續上升,當突破了臨界值,核心的氫原子核發生聚變反應,同時釋放巨大的能量,這個能量中斷了向內的引力坍縮,并在高溫下向外膨脹。
但高溫產生的熱膨脹很快就停止,原因是熱膨脹會導致核心附近的溫度和壓力驟降,氫核聚變因而停止,核心失去輻射壓力重新坍縮,因此核心附近會很快取得一個微妙的平衡,核聚變在高溫高壓下持續的發生,熱膨脹與引力坍縮保持一定的平衡,核心熱量通過輻射、對流逐漸向外傳播,直至高溫點亮恒星的表面。
恒星就在這種平衡下持續地燃燒,像太陽這樣的恒星大約可以燃燒100億年。質量更大的恒星由于需要更多的能量抵御引力坍縮。因此燃燒得更猛烈,壽命反而比太陽更短。
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