太阳为什么会发光发热_太阳发光发热的原理

随着地球的自转,太阳每天东升西落,滋养着地球上的生灵。不管是恐龙时代,还是现代,太阳母亲都在稳定地向世界播撒着光和热。

太阳是一个悬浮在宇宙空间中的大火球,这个火球中的物质都处于等离子态,就是处于高温电离状态的气体,闪电就是等离子体,它已经燃烧了46亿年。

太阳为什么会发光发热_太阳发光发热的原理

根据日常经验,燃料加的越多,火烧的越旺,燃料的消耗速度也就越快。世界上并不存在天长地久,太阳却拥有这么长的寿命,就在于燃烧得缓慢和稳定。太阳的质量是有限的,太阳燃烧了这么久都没有熄灭,那么是什么原因使太阳的燃烧过程能够长期保持稳定且缓慢呢?

在谈及这些问题之前,先来了解一下太阳烧的啥燃料,太阳能够发光发热的原因。

太阳通过“燃烧”氢释放光和热

在20世纪,随着生产力的高速发展,人类的科学知识也得到了迅猛提升。科学家们利用核物理知识,制造出了原子弹和氢弹。这些武器之所以能够产生如此巨大的能量,就在于产生能量的方式,原子弹靠的是核裂变,氢弹则包含核聚变过程。与氢弹产生能量的方式类似,太阳也是依靠氢聚变为氦的过程产生能量。目前,氢大约占太阳总质量的73%,氦大约占25%,其余2%是其它元素。

太阳为什么会发光发热_太阳发光发热的原理

虽然太阳燃烧的是氢,但与普通燃烧过程不同,太阳中进行的是核反应,而通常所说的燃烧是一种化学反应。燃烧在化学中属于氧化反应,传统烧火做饭过程中使用的燃料是柴草,其实还需要氧气和足够的温度,否则火是烧不起来的。氢如果和氧气发生反应,燃烧后的产物则是水,反应发生于原子级别,原子核的结构不会发生变化。核聚变反应过程中只需氢参与反应,更准确点来讲是氢原子核,原子核结构会发生变化,氢元素会变为氦元素。核聚变反应能够释放出大量能量,光(光和热本质上是一样的,都属于电磁波)就是这些能量的主要载体。

1千克铀238裂变后释放的能量,就相当于2000吨优质煤燃烧后所释放的能量。相同质量下,核聚变释放的能量通常比核裂变更多。可见,同样是发光发热,原理不相同,反应时释放的能量大小也不相同。在核反应过程中,一部分质量会转变为能量。据估计,太阳每秒钟大约消耗400多万吨的氢,经过了46亿个年头,太阳也就损失了100多个地球质量的氢,但这还不到太阳质量的0.1%。

太阳为什么会发光发热_太阳发光发热的原理

上图是铀235的裂变反应,铀238与之相似。

燃烧反应的发生需要足够的温度,核反应也十分类似。既然在同等的条件下,核聚变能够释放出更大的能量,所需要的反应条件也必然比燃烧反应更苛刻。科学研究表明,核聚变反应只有在超高温、超高压条件下才能进行,当恒星的质量足够大时,才能在内部保持高温高压环境。根据科学家的估测,太阳内部核反应区的温度至少在1500万摄氏度,核心处的压力则比地球大气压高3000亿倍。

其实木星和太阳很相似,主要都是由氢构成的,木星的质量如果再大上80倍,木星内部的温度和压力就足够开启氢聚变。正是如此苛刻的条件,才使得人工可控核聚变难以实现。

太阳为什么会发光发热_太阳发光发热的原理

如上图所示,人工氢核聚变,将氘和氚聚变为氦。

说到这里,就该向大家介绍太阳在燃烧过程中能够保持稳定的原因了。

一场拔河比赛,势均力敌才能保持平衡,辐射压和重力的平衡使太阳保持稳定

在拔河比赛过程中,当双方的力量相当时,谁也拗不过谁,此时就处于二力平衡状态。在一个系统中,如果存在多种力量,要想使系统保持稳定,这些力量就必须要处于平衡状态。太阳能够稳定地燃烧,其实就是力的平衡结果。

太阳为什么会发光发热_太阳发光发热的原理

要想了解太阳在核聚变过程中为啥这么稳定,就必须了解具体的反应原理。

质量越大,引力就越强,高温高压就是靠引力产生和维持的。太阳主要由氢构成,在这个过程中,某一临界点时,会引发氢核聚变反应,氢原子核通过一系列的反应聚变成一个氦原子核。除了光子以外,在这个过程中,太阳还会释放出中微子等粒子。如果此时没有保持平衡,太阳在自身重力的作用下,核心处的温度和压力会继续升高,核反应速率加快,聚变反应也将变得更加剧烈,直至引发猛烈的核爆炸,太阳也将就此消亡。

太阳能够保持稳定,必然还有另外一种力同重力相抗衡,这便是核聚变过程中产生的辐射压力。辐射压和重力就是拔河比赛中的甲乙两队,这两个家伙的马拉松比赛决定了太阳的命运轨迹。

辐射压就是氢聚变过程中产生的辐射所形成的压力,这些辐射产生于太阳内部,大部分辐射被太阳自己吸收后,会引起太阳的体积膨胀,也就是受热膨胀。只要太阳内的氢燃料充足,辐射压和重力就能够保持动态平衡。正是这种巧妙的平衡关系,才使得恒星能够持续而稳定地发光发热,只是偶尔会抽一下风,搞个耀斑啥的。

太阳为什么会发光发热_太阳发光发热的原理

这种平衡关系也是太阳能够保持缓慢燃烧的原因之一。下面来为大家揭秘太阳缓慢燃烧的另一个秘密。

量子效应助力太阳缓慢燃烧,这便是太阳长寿的秘密

太阳很大,不仅体积大,质量也占太阳系总质量的99%。不过,太阳能燃烧这么久,并不是因为它的质量很大。相反,质量越大,恒星的引力也就越大,恒星燃烧的就越剧烈,恒星内部的氢消耗的也就越快。因此,大质量恒星非常短命,那些短命的恒星有些只有不到100万年的寿命。不过太阳的质量在宇宙中并不大,科学家估计太阳大约有100亿年的寿命。据估计,有些质量很小的恒星寿命可达1万亿年。

太阳真的很大,太阳内部大约可以容纳100万个地球。位于太阳中央的核反应区,仅占太阳半径的1/4。虽然占地面积不大,但是物质密度却很高。氢1或氕(一个质子)只有在这个区域才有条件聚变为氦4,这个过程并不是直接发生的,需要经历一系列中间过程。下图就揭示了这么一个过程。

太阳为什么会发光发热_太阳发光发热的原理

如上图所示,质子形成氦2(双质子)后,由于不稳定,会迅速发生贝塔衰变,有机会转变为氢2(氘,含一个质子和一个中子),然后其它质子再和氘结合成氦3(含两个质子、一个中子),最终变为氦4(含两个质子、两个中子),这就是氢聚变为氦的全过程。其中,双质子也有可能会衰变并分裂,重新成为自由质子。中子不能直接由自由质子衰变而来,只有在原子核中,质子才会发生衰变。所以,贝塔衰变概率也是决定核反应速率的重要因素。

太阳核反应区虽然达到了反应条件,但起决定性作用的还是量子隧穿效应。质子虽然能够发生碰撞,但并不一定能够结合。原因在于,质子带正电,同性相斥,质子结合就必须要克服库仑斥力,而恒星内质子的平均热动能还不足以克服库仑斥力。库伦斥力就相当于隔在质子中间的一堵墙,但是这堵墙上面却存在一些可以让质子通过的孔,微观粒子存在的不确定性,使得质子有机会穿过这堵墙。这个隧穿概率便是决定核反应速率的另一个重要因素。

太阳为什么会发光发热_太阳发光发热的原理

上图展示了量子隧穿效应的变化过程。

总结一下,主要是量子隧穿和贝塔衰变这两种量子效应,决定了太阳内部氢的燃烧速率。说到这儿,相信大家对上面介绍的引力导致恒星收缩,恒星核反应速率会加快,也就能更好的理解了。

太阳的未来

在这些因素的限制下,太阳还能稳定燃烧50~60亿年,就会离开主序星的阶段、转变为红巨星,主序星阶段占太阳生命历程近90%的时间。

不过,在这46亿年的时间里,据科学家估计,由于太阳的体积在缓慢增大,亮度至少提升了30%。从短期来看,太阳还是十分稳定的。未来每10亿年太阳亮度还会增加10%,30亿年后地球可能就不适合生命生存了。

当太阳核心处的氢消耗殆尽,只剩下氦和外层氢壳,辐射压不足以抵抗重力,太阳外层的物质会向内猛烈收缩,就会引发另一种核聚变——氦聚变。剧烈的变化,不仅点燃了氦,还点燃了氦核之外的部分氢,此时辐射压占了上风,剧烈的核反应又导致太阳外层物质迅速发生膨胀,形成红巨星。太阳在红巨星阶段会待上几亿年,然后就会变为白矮星,直至宇宙终结。

太阳为什么会发光发热_太阳发光发热的原理

上图展示了太阳的生命历程。

好了,这就是太阳能够持续稳定地发光发热的原因,也是太阳能够长寿的秘密。

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