太阳也是核聚变反应,为什么太阳能够维持稳定而不发生爆炸?
♗ℙ太阳也是核聚变反应,为什么太阳能够维持稳定而不发生爆炸?
答:太阳内部的核聚变反应,只在太阳中心的一小块区域内进行,由于太阳巨大的引力,核聚变释放能量产生的热膨胀和引力相互平衡,所以太阳不会瞬间解体。
太阳每秒钟释放大约4*10^26焦耳能量,相当于5万亿颗广岛原子弹释放的能量总和,在太阳内部,主要进行着氢元素向氦元素的聚变反应,和氢弹的核反应原理类似。
之所以太阳不会瞬间爆炸解体,主要是太阳有着巨大的引力,核反应释放能量产生的热膨胀,还不足以让太阳物质完全脱离太阳引力;而太阳真正的核反应区,大约只有0.25个太阳半径,中心区域的温度高达1500万度,压力高达3000亿个大气压。
太阳表面温度只有大约5500℃,所以太阳从内到外,温度梯度是非常大的,只有中心的核反应区才进行着核聚变反应,接近太阳表面的绝大部分区域,都是太阳物质的对流区,热膨胀和太阳引力相互平衡。
氢弹的核反应原理虽然和太阳类似,但是氢弹瞬间释放的能量无法被束缚,所以氢弹随着爆炸就解体了;在人类进行的可控核聚变装置中,比如托卡马克装置,内部进行的核聚变与氢弹类似,但是托卡马克装置中的超导强磁场,可以把核聚变反应产生的高能粒子束缚在装置内,然后慢慢释放出来。
所以,太阳可以看成核聚变反应和引力相互平衡的结果,但是这种平衡并不会一直持续下去,天文学家预测在60亿年后,太阳的核聚变反应材料将会消耗殆尽,到时候太阳引力将会占据主导,使太阳收缩成一颗白矮星。
对于超过10倍太阳质量的恒星,在演化末期还有可能出现核聚变反应失控,然后以超新星的形式结束生命,这样的事件,在我们银河中大约每百年会出现两次。
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➼❄太阳也是核聚变反应,为什么太阳能够维持稳定而不发生爆炸?
其实太阳自身拥有一项人类梦寐以求的技术:可控核聚变反应。
那具体咋回事呢?
我们需要先来了解一下太阳形成。话说宇宙大爆炸之后,经历了两代恒星。在目前太阳系附近位置,第二代恒星发生了超新星爆炸,把物质抛到了太空当中。
后来,在现在太阳系附近的位置,星云物质开始在引力的作用下形成了太阳以及太阳系早期的其他天体。而太阳和其他行星最大的区别在于,太阳占据了太阳系99.86%以上的质量,99%以上是氢元素和氦元素组成。在这个尺度下,太阳的物质在引力作用下都在向中心压缩,当中太阳核心的位置温度变得特别特别高,其实本来是达不到足以引发氢的核聚变反应的温度。但由于量子隧穿效应的存在,所以可以发生了核聚变反应。
这里,我们要注意了,这种反应其实和氢弹的原理是一样的,但是太阳没有像氢弹一下子炸掉,
是因为太阳的核心的核聚变反应和温度是相关的,而温度高低其实取决于太阳核心受到的压力作用的大小。这其中有一对相互博弈的力,一个是太阳自身引力,一个是核聚变向外产生的向外压力。
如果太阳自身引力占据上风,而核聚变向外压力处于下风,那说明太阳核心的受到的压力是比较大的,温度就会上升,这时核聚变反应就会更剧烈一些,产生更大的向外压力,去和引力抗衡。这时候,中心的受到的压力就会下降,温度就会降低。
如果核聚变向外的压力处于上风,而太阳引力处于下风,那说明太阳核心受到的压力是比较小的,温度就会下降,核反应的程度也就会减弱,这时候向外的压力就会减弱。这时候,引力就会慢慢占据上风的位置,让核反应的程度加强。
因此,太阳自身引力其实和核聚变向外的压力使得太阳的核反应处于一种动态平衡的状态,这才使得太阳不会一下子炸掉。
不过,太阳的稳定并不是持续不变的,要知道太阳要时时刻刻向外辐射能量,每秒大约有400万吨的质量转变为能量,也就是损失掉这么多的质量。随着质量的减少,太阳的引力也就会减弱,当减弱到一定程度之后,引力就不足以对抗核聚变产生的向外压力,太阳就会膨胀得特别大。太阳的大气可以差不多扩大到地球轨道附近。地球甚至有被吞没的可能性。
这时候的太阳其实变成了一颗红巨星,而我们现在的太阳其实处于青壮年的状态,在天文学上也叫做主序星时期。这个时期大概会持续100亿年,现在是已经度过了46亿年。也就是说,再过50多亿年后,太阳将会控制不住自己,膨胀开来。
Ⓓ↳太阳也是核聚变反应,为什么太阳能够维持稳定而不发生爆炸?
我们地球生命每天沐浴着太阳的光辉,生机勃勃,这一切完全依赖于太阳提供的能量。假如没有太阳,地球将是一个冰冷黑暗的世界。
既然我们如此依赖太阳,就该认真理解它的工作机制和结构。太阳的能量从何而来?为何可以持久稳定?
如今我们知道,太阳是银河系中千万颗恒星中的一员,是一颗光谱为G2V的黄矮星。太阳寿命大约100亿年,目前其年龄大约46亿岁。太阳的直径约为140万公里,是地球直径的100倍。其质量约为2x10^30公斤,约为地球质量的33万倍。太阳中心温度大约1500万K、表面温度为5770K。
太阳从内向外分别是中心核聚变反应区、辐射区、对流层和太阳表面大气层。
科学家告诉我们,现在的太阳是由71%的氢、27%的氦(自然界中第二简单元素)和2%的其他重元素(氧、碳、氖、铁等)构成,以核聚变的方式向太空释放着能量(光与热)。
那么,太阳的核聚变的过程为什么能够维持稳定而不发生爆炸呢?
首先,太阳质量巨大,内部的温度、密度和压力随深度而增大。核心区如同受控的“氢弹”爆炸,是一个持续“受控”的核聚变。
在太阳核心区,气体被外层的质量因引力作用而强烈向内压缩,密度达到铅的13倍。在这极端压力下,原子核聚合在一起发生核聚变反应,使得核心区压力进一步增大(约是2500亿个地球大气压),产生巨大的向外压力。这个由热核反应产生的向外压力,与外层质量因引力而产生的向内压缩力形成抗衡。最终结果是,太阳总体处于一个在天体物理学中叫做“流体静力平衡”的状态。
这种持久平衡,可使得太阳有一个持续上百亿年相对稳定的状态。它既不会像炸弹一样立刻爆炸解体,也不会因引力作用立刻坍塌。宏观上力的平衡维系太阳的长久稳定。
其次,由于太阳核心区的密度非常大,1500万K的气体几乎是致密不透明。每秒约400万吨的质量在核心区转化为纯粹的能量,产生辐射。辐射粒子流与气体粒子发生激烈的反应,无法传播的很远。结果是,核聚变释放的能量在太阳内部各个方向上的辐射多次被物质吸收、再发射以及散射,循环往复。
由于太阳内部发出的辐射能量不能像真空中的光速一样快速传播,核心区的辐射需要花费10万年的时间才能到达太阳表面,虽然这段路程只有70万公里(半径)。之后,只需8分30秒的时间,阳光就能穿过浩瀚的太空到达地球。
OMG!今天我们正沐浴着的是10万年前远古智人时期的阳光!
(谢谢阅读)
♣Ⓑ太阳也是核聚变反应,为什么太阳能够维持稳定而不发生爆炸?
其实这是一个很好的问题,很多人都知道太阳和氢弹都是利用的核聚变反应。但是偏偏是氢弹一下子全炸了,但是太阳却可以保持一个温和和稳定的反应趋势。
但这个问题其实很好回答,我们初高中都学过化学反应的过程,要知道,同一个化学反应也有快有慢的,比如:加不加催化剂,就会让化学反应的剧烈程度发生质的变化。虽然核聚变反应是在原子核层面进行的,但是道理其实和化学反应是一样的。
氢弹之所以一下子全炸了,说白了就是引爆氢弹的条件满足了核聚变快速反应的条件,而太阳之所以烧的很慢,说白了就是引发太阳的核聚变反应的条件只能让他达到这个反应速率。那具体是咋回事呢?我们就来具体地聊一聊。
氢弹
首先,我们先从氢弹说起,氢弹的核聚变反应用的是氢原子核的核聚变反应。这里的氘和氚其实是氢元素的同位素,也是质子数为1的元素,反应生成的是氦元素。
那要快速引爆氢弹的条件是什么呢?
科学家发现,要让氢弹引爆的反应条件是1亿度。这个温度对于人类来说是难以企及的温度,为了实现这个温度,科学家利用的办法其实是先引爆一颗原子弹,原子弹爆炸后产生的温度就能达到1亿度,然后利用原子弹产生的高温来引爆氢弹。
太阳的核聚变反应
那我们继续来看看太阳的核聚变反应。实际上,反应原理和氢弹的类似,也就是氢原子核的核聚变反应。一般来说有两条路径,分别称为质子-质子反应链和碳氮氧循环。但本质实际上和氢弹的核聚变是类似的,就是氢原子核核聚变生成氦原子核。
但是,两者的差别就差在了反应条件上了。氢弹的反应条件是1亿度,而太阳内核的温度只有1500万度。要知道,这么大的温度差,使得氢弹的反应速率远远快于太阳的核聚变反应是很正常的。
但同样的,这里也存在着一个矛盾。上文我们也提到了,科学家发现要使氢弹发生核聚变反应至少需要1亿度。但是为什么太阳的内核只有1500万度就可以被点燃呢?
具体来说是这样的,太阳其实处于一种特殊的物质状态。我们常见的物质状态是:固态、液态、气态。
而太阳则是等离子态,这是由于自身的质量巨大,占到了太阳系总质量的99.86%,导致自身引力巨大,引力会使得恒星内核的温度特别高,从而使得电子获得足够多的能量,摆脱了原子核的束缚。所以,太阳内核更像是一锅粒子汤。其中,原子核和电子到处乱串。这无形当中就增加了原子核相撞的概率。但我们要知道的是,原子核是带正电,这是因为原子核是由质子和中子构成的。质子是带正电的,中子是不带电的,因此,原子核是带正电的。
而同种电荷是相互排斥,也就是说,原子核会在静电斥力下被相互排斥,这其实增加了核聚变反应难度,核心问题就是需要克服这个静电斥力,这就需要额外的能量输入。照理说,如果没有外人来给这个系统输入能量,太阳的核聚变反应应该是不会发生。
不过,在微观世界中存在这一种量子效应,被我们称为隧穿效应。意思是说,原本在宏观世界中不可能的事情,或者说需要额外输入能量的事情,在微观世界中就有一定的概率发生。通过统计,科学家就发现,一对原子核每10亿年才发生一次核聚变反应。
照理说,这个概率是特别特别低的,低到几乎不会发生。不仅如此,如果我们仔细观测,就会发现,氢原子核中存在着一个质子,而氦原子核是2个质子和2个中子。这就是说,在这个过程中发生了4个质子转化为了2个质子和中子,也就意味着有2个质子要转变为中子。这其实是需要弱力参与的,而弱力是真的很难,发生的概率也很低。
我们要知道的是,偏偏太阳是足够大,粒子数足够多,因此再小的概率到了这里,都变成了大概率事件。但是由于“隧穿效应”和“弱力”的发生概率都很低,它们控制着核聚变的反应速率。所以,太阳不可能像氢弹那样一下全炸了,而是需要慢慢地烧着。
┢▻太阳也是核聚变反应,为什么太阳能够维持稳定而不发生爆炸?
太阳也是核聚变反应,为什么太阳能够维持稳定而不发生爆炸?
其实就有很多恒星就是压制不住内心的洪荒之力,正在大幅的丢失质量!比如大麦哲伦星系蜘蛛星云中的R136星团中的R136A1、R136A2、R136A3,这些恒星都是远超爱丁顿极限的恒星,比如R136A1,它正在经历极端的质量丢失,它的恒星风达到了 2600±150 km/s,丢失的质量高达3.21×10^18 kg/s!是太阳质量损失的9亿倍!
在这个话题中我们必须要来了解一个概念,即爱丁顿极限,这是解释太阳为什么不会爆炸的关键因素!
一、爱丁顿极限
爱丁顿极限的词条解释很简单:指在球对称前提下天体的辐射压力不超过引力时的光度上限值!
但这个词条的解释比较重要,因为很多朋友无法理解这些名词
1、恒星的辐射压: 辐射压是电磁辐射对暴露在其范围内物体表面所施加的压力,与大部分朋友理解的不同,恒星的只在内核达到了极高的温度从而引发了核聚变,整颗恒星的光和热都来自内核,而内核压力越大,温度越高则聚变越剧烈,产生的辐射压也更大!
2、天体的引力坍缩:物质聚集在一起是受到引力的作用成为一个球体,而内核则由于引力坍缩能逐渐温升,引力是导致恒星内核核聚变的真正原因,但引力也是束缚恒星核聚变产生巨大能量的原因!
3、爱丁顿极限1:当恒星质量越来越大时,内核的压力温度会越来越高,核聚变燃烧的也会越来越剧烈,而能够称之为恒星,当质量越来越大时,因为内部从初期开始就存在辐射压,物质密度会比其他气态天体要更低一些,因此辐射压才有机会超过引力坍缩,成为恒星极端不稳定的根源!
4、爱丁顿极限2:一般我们认为太阳质量的150倍是两者平衡的极限,当恒星质量超过太阳150倍时强大的辐射压将会导致恒星物质大量流失,而猛烈的恒星风则会在其周围产生一个死亡区域,这样的恒星周围是不会有宜居带的!
二、太阳为什么还没有爆炸?
了解了爱丁顿极限之后的解释太阳为什么还没有爆炸就简单了,因为太阳质量产生的内核温度并不“足够”,因此内核仍然在“温柔的燃烧”!而产生的辐射压也无法撼动引力坍缩的地位,因此太阳内核这只有着“洪荒之力”的“猛兽”仍然被牢牢的束缚在辐射层内!
但准确的说,太阳最终将不能控制内心的“暴躁”,终有一天它是爆发的,而这个时间将会在氢元素燃烧殆尽,氦元素堆积,内核辐射压无法支撑外壳坍缩时所导致!因为巨大的坍缩能将会瞬间点燃氦元素,产生更加强大的辐射压将外壳物质抛洒到太阳周围的空间,这就是太阳的氦闪!预计太阳将在脱离主序星12亿年后发生第一次氦闪,在此之后,太阳的氦闪会再次发生,并且会越来越频繁,但级别会逐渐减小,最终外壳脱离成为行星状星云,而内核则成为一颗白矮星!
每一个尖峰都代表一次氦元素剧烈聚变的发生,很多人将这称之为恒星的呼吸,尽管呼吸对于人类很重要,但在恒星界则表示极不稳定,而此时的太阳系早已不再宜居,只不过留给人类的时间还有二十多亿年!
成也萧何败也萧何,正是三十年河东,三十年河西.........引力坍缩是恒星聚变的诱因,也是束缚恒星蛮荒之力的源泉,但最终却成为恒星的终结者,不得不说在每一个阶段它们都在扮演不同的角色,唯一有不同的是,这角色是游走于边缘的!
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