众所周知,太阳上每时每刻都在进行着剧烈的核聚变。根据相关计算,每秒消耗的“燃料”可达400万吨。
迄今为止,人类制造出的最大核武器当量为5800万吨TNT(沙皇氢弹),而太阳每秒释放出的能量约为9,212,410,500,400万吨TNT,相当于每秒有1,588,346,638个沙皇氢弹在太阳中爆炸。
等等,标题说太阳每秒释放出的能量还不如一只壁虎,可这里又说太阳每秒释放出的能量相当于1,588,346,638个沙皇氢弹,难道这就是标题党?
其实还真不是标题党,因为太阳的总功率确实非常高,但它的平均质量功率却非常低。
太阳的总质量是1.989×10^30千克,功率除以总质量可得0.0002w/kg,也就是每千克太阳物质每秒释放出的能量为0.0002焦耳。
在非洲有一种重约3克的壁虎,它每天消耗的能量为230焦耳,通过计算得到平均质量功率为0.88w/kg,这个数值是太阳的4400倍。
怎么样?说太阳每秒释放出的能量还不如一只壁虎没有问题吧?而这个事实是不是很颠覆认知呢?
可能很多人还有疑惑,为什么氢弹爆炸一瞬间就没了,而太阳却能够一直“燃烧”百万年时间呢?
根本原因主要有两个,一个是“燃料”实在太难啃了,而一个原因则是太阳个头小导致温度低消化慢。
什么?太阳的温度还低?没错,因为人类曾在引爆沙皇氢弹时创造出了3.5亿℃的高温,这是太阳核心温度的20倍以上。
在最早研究太阳的物理学家们看来,太阳能够开始聚变真的很不合常理。虽然核心压力达到了聚变标准,但温度实在一言难尽,根本没有办法让两个氢原子挤在一起,从而开启聚变反应。
这个谜直到量子力学的出现才得到解答。原来质子有极小的概率出现在不该出现的地方,这让两个原本不可能相遇的质子相遇了,从而开启了聚变反应,而这种质子越位的现象被称为“量子隧穿效应”。
为什么氢弹爆炸会出现3.5亿℃的恐怖高温呢?这一切其实都是人类故意选择的结果,因为氢弹中的氢是氢的同位素——氘和氚。
在自然界中,99.985%的氢只有一个质子和一个电子,这种氢还有另一个名称——氕(piē)。而氘(dāo)和氚(chuān)则是分别带一个中子和两个中子的氢原子。
氢元素聚变产物是在元素周期表排第二的氦元素。氦的原子核有八种不同结构,但其中只有两个结构是稳定的,分别是具有2个中子和2个质子的氦-4,和1个中子2个质子的氦-3。
到这里可能有人已经发现了一个问题,如果氕发生聚变,它要从哪里弄来中子呢?确实可以让质子变成中子,但质子的质量小于中子,因此质子必须吸收能量才可以变成中子,这要求两个碰撞的氢核必须拥有很高的速度。
温度是粒子动能的平均值,这意味着即便在1500万℃的“低温”环境中,也可能有3亿℃平均动能的粒子,这些粒子碰到一起时会产生氘核。
所以,从理论上看太阳这样的核聚变发生概率极低,具体表现为反应速率很慢,因此太阳能够“燃烧”上百万年的时间。
氢弹之所以能够瞬间就释放出全部的能量,是因为制造氢弹使用的氘和氚自带中子,不需要像太阳那样一点点聚集能量,所以它们的聚变反应非常迅速。
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