|
过去的研究表明，太阳诞生于大约46亿年前，这就令人感到好奇，太阳究竟用了什么燃料？为什么烧了几十亿年还没烧完呢？ 6 C. p( j: T! x$ _3 v
太阳用的燃料其实就是氢元素，这是宇宙中丰度最高，也最简单的元素，不过太阳对氢元素的“使用方法”并不是将氢元素直接点燃，而是在其高温高压的核心，通过一系列的核聚变反应，由于氢原子核其实就是质子，因此这也被称为“质子-质子链反应”。 ' }+ @8 E3 A P2 Z& s' b Z- B
“质子-质子链反应”可以简单地分为三个步骤，第一步：两个质子结合，然后其中的一个质子发生β衰变转变成中子，并与另一个质子结合成氘原子核；第二步：氘原子核和质子结合，形成氦-3原子核；第三步：两个氦-3原子核结合后释放出两个质子，形成氦-4原子核。 0 [/ M: m) j) S
\2 R" g6 E7 p+ A
$ p, A# {9 ]# q! N! N% M4 k# G) M
这一系列的核聚变反应可以释放出蕴含在氢原子核中的能量，而太阳的光和热其实就是来自于此。
$ s. U! d+ W C( Y
由此可见，尽管太阳看上去很像是一个熊熊燃烧的火球，但太阳其实并没有燃烧，因为太阳的能量来自核聚变反应，而我们常见的燃烧现象，却是一种放热发光的化学反应，这两者存在着本质上的区别。不过为了方便描述，我们还是可以将太阳形容为“燃烧”，大家知道区别就行了。
( r9 p% f$ M, n/ i% P2 }, Z# p
太阳之所以能够烧了几十亿年还没烧完，主要有两个原因，一个是太阳的燃料足够多，另一个则是太阳的燃料消耗速度极为缓慢。 8 R9 \0 z# b+ y7 w/ A4 E3 @7 M6 F7 h
" N/ M0 p( ~( n* |7 o+ l3 f; V4 b- |4 U f
“燃料足够多”这个原因不必过多解释，毕竟太阳的质量是地球的33万倍，体积更是高达地球的130万倍，据此大家也可以想象出太阳有多庞大，那为什么太阳的燃料消耗速度会极为缓慢呢？
% t% N- B# ~$ x+ F
这主要是因为“质子-质子链反应”的第一步的实现难度相当高，前面我们已经讲了，这一步就是两个质子形成氘原子核，要知道质子都是带正电的，所以在质子之间会存在着很大的库伦斥力。 K! j6 m! S7 ^1 R5 w
用专业一点的话来讲就是，质子之间存在着一个由库伦斥力造成的“能量势垒”，只有突破了它，两个质子才可以发生碰撞。 3 ?+ h5 K6 d5 t
! A2 x. L+ R0 [) c' N3 m# I( ^- @1 |# K
如何突破质子之间的“能量势垒”呢？答案就是速度，只要质子的速度足够快，它们就可以撞在一起，而我们都知道，温度其实就是微观粒子热运动的激烈程度，因此可以说，在足够高的温度下，质子就可以突破“能量势垒”，具体要多高的温度呢？至少需要上亿摄氏度。
. j0 Q& d4 q8 L1 T
然而太阳核心的温度却只有1500万摄氏度，这明显就不够啊，也就是说，以太阳核心的温度，根本就不可能发生“质子-质子链反应”，但我们明明看到了太阳确实在发光发热，这是为什么呢？
) g L4 a8 Z6 U0 n7 X$ [
实际上，这个问题曾经困扰了科学界很久，直到人们发现了“量子隧穿效应”。简单来讲，“量子隧穿效应”可以允许微观粒子在能量不足的情况下，穿过在经典力学中不可能穿过的“能量势垒”，这也被人们戏称为“量子世界中的穿墙术”。 + ], z7 P, ]; ]4 S8 @
需要注意的是，“量子隧穿效应”的发生是有概率的，能量差距越大，发生的概率就越低，由于太阳核心的温度远远低于理论值，因此在太阳核心，两个质子通过“量子隧穿效应”撞在一起的概率可以说是低得可怜。
% Z n" s$ {+ o/ _6 K) t8 L B3 q
然而即使两个质子发生了碰撞，也很难形成氘原子核，因为两个撞在一起的质子通常都会迅速分开，只有在极少数的情况下，才会出现“一个质子发生β衰变转变成中子，并与另一个质子结合成氘原子核”这样的情况。
+ G7 _/ _) ?8 l6 I& H) o2 y; m. T
1 C3 ?, u* p- ~4 P$ H
) {: S6 G9 \) L- B2 C本来“量子隧穿效应”发生的概率就非常低了，再加上这一出，就使得“质子-质子链反应”的第一步的实现更加困难，以至于在太阳的核心，一个特定的质子通常都需要长达几十亿年的时间，才能与另一个质子撞在一起并形成氘原子核。
' F0 H# P. O3 s; b# [4 z/ f" B
尽管这个概率是如此之低，但架不住太阳的燃料多啊，正所谓“东边不亮西边亮”，在太阳核心巨量的质子中，总会有极少数的质子会“非常幸运”地形成氘原子核，进而发生“质子-质子链反应”，也正是因为如此，太阳的燃料消耗速度就变得极为缓慢，烧了几十亿年还没烧完，而根据科学家的估算，太阳的燃料大概还可以烧50亿年的时间。 | 
发表于 2022-12-21 10:46:54
