我們都知道,物質(zhì)一般來說有三態(tài),固態(tài)、氣態(tài)、液態(tài)。
不同的狀態(tài)其實(shí)是粒子之間的距離和化學(xué)鍵有關(guān)。就拿最常見的水來說,水的不同狀態(tài)是由于水分子之間的間距不同,以及是否具有氫鍵相關(guān)。
那么問題來了,太陽是由什么物質(zhì)構(gòu)成的呢?為什么太陽不會像氫彈那樣一下炸了,而會穩(wěn)定地發(fā)生核聚變反應(yīng)?
太陽是什么物質(zhì)組成的?
關(guān)于這個問題,我們要先對太陽有個深刻的認(rèn)識。我們都知道太陽特別大,那太陽到底有多大?這么說吧,太陽占據(jù)整個太陽系總質(zhì)量的99.86%以上,剩余的不到0.14%是其他行星,衛(wèi)星,小行星和隕石等,而這當(dāng)中有一半的質(zhì)量屬于木星。由此可見,我們的地球在太陽面前根本就是忽略不計的存在。
事實(shí)上,在46億年前,在太陽系這個位置有一片橫跨2光年的分子云,這片分子云后來發(fā)生了引力坍縮,在引力的作用下逐漸形成了太陽,剩余的邊角碎料才形成了其他的天體。所以,其他的天體質(zhì)量才會如此的小。
太陽質(zhì)量巨大就造成一個問題,那就是太陽的內(nèi)核溫度特別高,高達(dá)1500萬度,200多萬個大氣壓。在這樣的狀態(tài)下,原本的原子結(jié)構(gòu)就沒有辦法保住,電子由于獲得足夠多的能量,脫離了原子核的束縛,開始自由地移動,這就像是一鍋粒子粥一樣。
因此,太陽實(shí)際上并不屬于三態(tài)中的任何一種狀態(tài),而是一種叫做等離子態(tài)的狀態(tài)。實(shí)際上,除了太陽,或者說除了恒星,宇宙中還有很多等離子態(tài)的物質(zhì)。甚至是宇宙大爆炸早期的狀態(tài),也是等離子態(tài),還有我們常見到的“火焰”,其實(shí)也是等離子態(tài)。
太陽為什么會發(fā)生核聚變?
我們都知道要引爆氫彈的溫度大概是1億度,太陽內(nèi)核溫度遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到這個水平,那為什么核聚變反應(yīng)還能發(fā)生呢?
太陽會發(fā)生核聚變反應(yīng)其實(shí)和等離子態(tài)有很大的關(guān)系。當(dāng)太陽處于等離子態(tài)時,我們?nèi)绻欣硐氲姆糯箸R去看,就會發(fā)現(xiàn)其中有很多原子核、電子、光子。由于太陽99%以上的物質(zhì)都是氫元素和氦元素。因此,太陽內(nèi)核主要就是氫原子核和氦原子核。而我們知道,氫原子核只有一個質(zhì)子。
也就是說,太陽內(nèi)核中存在著大量的質(zhì)子。由于處于等離子態(tài),因此,這些這次質(zhì)子就有一定的概率會撞到一起。但是,我們也知道,同性相斥,質(zhì)子是帶正電的。所以,質(zhì)子之間是互斥的,要撞到一起發(fā)生核聚變反應(yīng)就需要克服庫倫斥力。
一般來說,這樣的反應(yīng)在宏觀世界當(dāng)中是不太可能發(fā)生的。但是,在微觀世界當(dāng)中存在一種量子效應(yīng)叫做:隧穿效應(yīng)。意思是說,即使是不太可能發(fā)生的事件,或者說需要輸入大量能量才可能發(fā)生的事件。在量子世界中,也有一定的概率會發(fā)生,只不過這個概率低得可憐。
根據(jù)理論計算,我們可以知道,這個概率大概是一對質(zhì)子發(fā)生核聚變大概10億年才能發(fā)生一次。但是,由于太陽內(nèi)核中粒子數(shù)足夠多,即使是再小的概率也能發(fā)生。因此,太陽的核聚變反應(yīng)才會被點(diǎn)著。
具體來說是這樣的,當(dāng)一個質(zhì)子靠近另一質(zhì)子時,如果此時弱力恰好發(fā)揮了作用,就會讓一個質(zhì)子變成不帶電的中子,這時候兩者就可以結(jié)合形成一個氘核。也就是下圖中第二個,原子核內(nèi)有一個質(zhì)子和中子的原子核。
這其實(shí)是太陽內(nèi)一系列核核聚變反應(yīng)的第一步,也是條件最苛刻的一步,只要這步可以實(shí)現(xiàn),后面的反應(yīng)也就都好說了。
不過,就像上文所說的那樣,這個事情的概率很低,因此,太陽不會像氫彈那樣一下子全炸了,而是緩緩地燃燒著。如今,太陽正處于主序星時期,內(nèi)核的核聚變反應(yīng)是氫原子核經(jīng)過一系列復(fù)雜的反應(yīng)最終生成氦原子核。
所以,太陽發(fā)生核聚變和自身的質(zhì)量或者說引力是有很大的關(guān)系,如果沒有引力的作用,太陽就不可能成為等離子態(tài),也就更談不上核聚變了。
太陽整個主序星時期大概要持續(xù)100億年,如今是已經(jīng)度過了46億年的時間。再過50億年后,內(nèi)核的氫原子核基本上燒得差不多,就開始燒氦原子核了,太陽會膨脹成一顆紅巨星,最后成為一顆白矮星。