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话题:

太阳内的氢为什么是慢慢反应的,而不是一下都变成氦?

【Feliscatus的回答(167票)】:

试着回答一下:

恒星内部存在两种平衡:其向心的引力和由核心的核聚变所产生的向外的压力可以在恒星内部几乎处处保持平衡;且在核心产生的巨大能量以 γ 射线的形式释放出来,通过辐射和对流等方式将核聚变的能量转移到恒星表面辐射出去,保持恒星内部能量的平衡。

在主序带中的恒星,由于存在以上的平衡,恒星以较稳定的速率将氢转变为氦。如果核聚变太快,恒星就会膨胀,反之则会收缩,以保持平衡。

只有在超新星爆发的时候,恒星才会 “一下子” 发生核聚变。恒星在把大部分氢转变成氦之后,氢的聚变提供的能量已经不足以维持平衡,就会发生坍缩,坍缩至核心的温度和压力足够高就会引发氦的聚变,将氢聚变的部分 “挤” 到外面。最后形成多个聚变层,像洋葱一样。

当核心达到硅聚变形成铁的阶段以后,恒星的温度和压力已经不能继续维持铁的聚变了,失去能量的恒星在引力的作用下就会发生大坍缩,很快达到极高的温度和压力,发生超新星爆发,比铁更重的元素就是在这个过程中产生的。当核心达到硅聚变形成铁的阶段以后,恒星的温度和压力已经不能继续维持铁的聚变了,失去能量的恒星在引力的作用下就会发生大坍缩,很快达到极高的温度和压力,发生超新星爆发,比铁更重的元素就是在这个过程中产生的。

图片来源:Formation of the High Mass Elements

【胡晓的回答(137票)】:

睡前看到这个问题,决定简要回答一下,目前看到的答案感觉都不够简明扼要。

我觉得题主的一个疑惑在于,为什么太阳不像氢弹,瞬间完成几乎所有的聚变反应?这里的一个要点在于,聚变,例如太阳中的氢-氦聚变,抑或是氢弹中的类似过程,并不是自持的。而是需要一定的温度压强条件,温度低了压强小了,聚变都会减速或者终止。聚变有点像大冬天点柴火,点着了还不行,得弄个罩子不让热量跑的太快,还要防止木柴自己散开了(可控核聚变技术里这叫做约束),换句话说,太阳靠引力维持内部的温度压强,使得聚变只能以目前的速率进行。

自持的核反应,例如裂变,可以由上一个裂变核放出的中子,作为触发下一个核裂变的“引信”,所以裂变的发生是比较容易的,只要材料纯度够高,加上一点点中子触发,甚至自发衰变放出的中子,就有可能引发链式反应,这也是为什么目前的核电站有“控制棒”,这些通常用金属镉制成的控制棒可以吸收中子,避免链式反应的发生(当然发生链式反应不等于核爆炸,核电站的低浓度铀即使发生链式反应,也很难在短时间内引发足够的裂变,在足够的能量产生之前,材料本身就会被“炸开”导致链式反应终止)。

那为什么氢弹可以爆炸呢?这是因为氢弹通常会有一个小的裂变弹作为扳机,爆炸产生的大量高能射线可以驱动包裹在聚变材料外层的材料迅速烧蚀,外层烧蚀产生的压强会驱动内层材料的向心压缩,短时间内产生足够的高温高压,这样才能让氢核具有足够的动能克服同性间的库仑斥力结合在一起,从而发生聚变。

具体到太阳身上,高温高压主要是由引力对星体的“压缩”提供的,这个因素导致恒星的聚变速率可以由负反馈调节:聚变快了,温度压强升高,驱动星体膨胀,而这又会导致温度压强降低,从而降低聚变速率。如果这个反馈机制太慢,就会使得星体大小出现比较大得变化,变星就是这么来的。

先写这么多,有什么遗漏的以后补上。

添加两条长回复:

---氢弹如果"弹药"放太多,会因为失去压强和温度导致聚变终止造成浪费吗?

核材料的浪费是非常正常的现象。早期核武器的材料利用率非常低,即使是裂变弹,材料也会因为反应时的压强而飞散导致裂变终止,最终利用率只有1%左右。第一颗公认的聚变装置 Ivy Mike 总重近70吨,印象中有数吨液化氘,最终威力也只有1000万吨上下,其中还有大量来自U238的受到聚变中子辐照产生的裂变,所以效率也是非常之低的

---往太阳发一颗裂变弹能制造出足够的压强,引发聚变吗

太阳内部已经在进行核聚变了啊。我猜你的意思应该是给太阳提供足够的压强能否产生类似氢弹的爆炸式聚变。我觉得是可能的,只不过裂变弹是没法提供这样的压强的。裂变弹大部分能量用来产生X射线,本身爆炸的压强是无法直接引爆氢弹的,这也是为啥我提到要利用聚变材料外部包裹材料的烧蚀来提供压强。就恒星演化来说,太阳本身质量太低,最终不会有超新星爆发,因为它的自身引力至多提供氦聚变为碳所的压强和温度,最后剩下的会是一个以碳为主的白矮星。

【知乎用户的回答(71票)】:

2014年9月21日13:22修改

理论模型估计,在太阳的中心,核聚变的功率密度大约是276.5 瓦/立方米。

数据来源:劳伦斯利福摩尔国家实验室(LLNL)

文章链接: FusEdWeb | Fusion Education

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首先修改了一下问题,进行聚变的不是氢原子。太阳内的氢以等离子态存在,进行聚变的是原子核。主要以质子-质子链反应为主:

“FusionintheSun”作者Borb - 自己的作品。来自維基共享資源 - “FusionintheSun”作者Borb - 自己的作品。来自維基共享資源 - File:FusionintheSun.svg根据Creative Commons Attribution-Share Alike 3.0-2.5-2.0-1.0授权

题主想问的应该是既然太阳和氢弹都是依靠核聚变释放能量,为什么太阳不会向氢弹那样爆炸。

太阳和氢弹的反应速率不同。核聚变的反应速率和压强有关。

氢弹需要在最短的时间内让最多的轻核装料进行聚变,均布在轻核装料周围的重核装料先进行裂变,裂变产生的巨大压力向心压缩使高温高压的轻核装料以极高的反应速率发生聚变,这种核融合是瞬间进行的,因为轻核装料聚变的条件是由重核装料裂变提供的,随着压强和温度的降低到临界值以下,轻核装料的聚变也就停止了。

太阳内聚变反应的环境和氢弹就不同了。太阳内轻核聚变的条件是自身引力提供的,引力向心传递至核心,使压强和温度超过了质子-质子链反应的临界值。距离太阳球心越远,引力产生的压强越小,在某一区域上的压强和温度接近了核聚变的临界值,即再向外便不会有聚变反应发生了。对于太阳,其核心是太阳内唯一能经由核聚变产生大量热能的区域,99%的能量产生在太阳半径的24%以内,而在30%半径处,聚变反应几乎完全停止。太阳核心的核聚变功率随着与太阳中心的距离增大而减小,理论模型估计,在太阳的中心,核聚变的功率密度大约是276.5 瓦/立方米。这个功率密度是由太阳质量决定的。越大的恒星,核心压强越大,核聚变的功率密度越大,寿命也就越短。

同时,太阳的核聚变反应还是一个负反馈系统。太阳核心的核聚变是在自我修正下达到平衡:速率只要略微提升,就会造成核心的温度上升,压强增大,更能抵抗外围物质的压力,因此核心会膨胀,从而降低核聚变速率,修正之前核聚变速率增加所造成的扰动;而如果反应速率稍微下降,就会导致温度略微下降,压强降低,从而核心会收缩,使核聚变的速率又再提高,恢复到它之前的水平。

因此,太阳内部的核聚变不会向氢弹那样瞬间完成,是因为聚变条件的产生机理与氢弹不同;太阳能够稳定几十亿年的原因是太阳质量相对较小。

【王某叉的回答(3票)】:

太阳上的核聚变反应是质子链反应为主,是由一系列反应组成的,由于需要克服库仑斥力,质子链反应尤其是反应的第一步是非常缓慢的。

第一步:1H + 1H → 2H + e+ + νe;νe是中微子0.42MeV。这个依赖的吸热的β正电子衰变,对于太阳来说,其内部的温度是偏低的,要依赖于量子隧道效应才能克服库仑力进行,一颗质子平均要等待10^9年才能融合成氘。

PS:但对于比太阳更大,内部温度更高的恒星是则主要以碳氮氧循环进行,反应速度比质子链快得多;超过100个恒星质量的星族III还有更加高效的的氦4循环。所以大质量恒星的寿命要短得多,而太阳只有1.7%的氦4核是经由碳氮氧循环的过程产生的。正如楼上所讲,恒星的质量决定其流体静力学平衡时内部的压强和温度,决定了其主序阶段的主要核反应类型和速率,也就决定了其主序阶段的持续时间,平衡打破则进入巨星分支甚至变成超新星,最大质量的那部分恒星(100个以上的太阳质量)几乎没有主序阶段(非常短),基本上都是巨星。

第二步:氘先和另一个氢原子融合成较轻的氦同位素,3He:2H + 1H → 3He + γ (γ 为光子,能量为5.49 MeV)。

第三步,氘、氚、氦3经过三个主要分支的核反应生成氦4原子核、中子、质子

参考:wiki質子﹣質子鏈反應

wiki碳氮氧循環

【知乎用户的回答(3票)】:

这个问题有意思,事实上“慢慢”以及“一下”所代表的时间概念是相对我们人类的感觉来说的。

打个比方,在你做出打苍蝇的这个动作时,在你看来是一瞬,而在苍蝇眼中则是慢动作。

又好比现在正在不断膨胀的宇宙。

想象一个马上就要爆炸的爆竹,短暂的时间过后,里面的物质便被抛射出来,四散而去。

如果把这些物质当做漫漫星云以及其他天体,把爆炸产生的冲击波看做宇宙的正在膨胀的边缘,又是何其相似。

个人的生老病死,家族的繁荣兴衰,王朝的兴盛覆灭,文明的演化更替,人类的产生消亡,地球的形成毁灭。

“盖将自其变者而观之,则天地曾不能以一瞬。”

爆竹,

不过刚刚爆炸而已。

————

折叠我吧。

【瓦拉莫古力斯的回答(0票)】:

太阳每秒钟释放能量相当于大约10^11颗氢弹的能量,很慢么?

另外你是不是觉得天空中星星几百年都没动过,但实际上宇宙边缘星系相对地球速度已经在亚光速量级能看到多普勒效应了。

人,终究还是太渺小,根本无法直观感知那种大量级的数到底有多大……

PS: 楼上已经说过了,太阳内部只有极少部分的氢通过量子隧道效应参与反应。

原文地址:知乎