太阳持续百亿年的核聚变能量靠什么来维持的

 

【太阳持续百亿年的核聚变能量靠什么来维持的】
首先简单点说下答案,
靠太阳巨大的质量来维持,更确切的说是靠非常多的质子数量来维持的,不过需要注意的是,这里指的是氢核聚变,还要考虑核聚变反应的速度。

 

简单了解核聚变

首先我们需要指出的是,本文指出的核聚变指氢核聚变,所谓氢核聚变就是将4个自由的质子(氢原子核)融合成氦原子核(α粒子)的过程。这里的核聚变只产生于太阳的核心结构,因为只有这里的极端物理条件才能满足核聚变的需求。其它部位的能量都是太阳内部核聚变向外补给的,所以我们接受到的光和热都要感谢其内部的核聚变。

核聚变能量靠什么来维持?

 

要了解其维持,首先必须要了解下核聚变的原理。我们前面描述了,太阳上目前的核聚变主要靠质子来维持,也就是被“剥离”的氢原子核。深入的讲,这种反应属于质子﹣质子链反应,将氢融合成氦,但是中间过程尤为复杂,我们需要上图了解下。

 

图片:4个自由的质子融合成一个氦原子核的过程,图片作者:Borb

OK!我们接下来说重点,为什么太阳会“燃烧”如此之久,我们先从核聚变入手。要发生核聚变,必须有非常强大的能量来克服2个氢原子核之间的库仑斥力。这相当于两块磁铁的同性极靠拢,我们知道生活中这样的靠拢,我们稍微用力,就轻而易举靠拢了。但微观世界并非如此,它们需要的能量更大。由于需要强大的能量来维持,所以即使在太阳上,也需要花费上百亿年,这就是太阳在主序带上要经历的过程。

接下来我们以质子-质子链反应速度来描述下。质子-质子链反应在太阳核内为每秒发生约9.2×10的37次方次,每秒将大约3.7×10的38次方个质子(氢原子核)转化成α粒子(氦原子核)(太阳中总共拥有~8.9×10的56次方个自由质子),或相当于每秒钟大约6.2×10的11次方千克的氢原子核被“吃掉”。在每次将四个自由质子(氢原子核)融合成一个α粒子(氦原子核)时,大约会有0.7%的质量转化成能量。由此我们可以得出太阳核心的质量-能量转换率为426万吨/秒(需要大约6亿吨的氢),对应于释放出384.6尧它瓦特 (3.846×10的26次方W)的能量,或相当于每秒产生919.2×10的10次方 万吨TNT炸药爆炸的能量。

从上诉给出的数据,我们再根据10000000000年(yr)=3.1536e+17秒(s)的数值来计算,可以得出。质子“耗尽”需要花费大约100亿年的时间。

 

参考资料

1.WJ百科

2.天文学名词

3.知乎

4.Phillips, K. J. H. (1995). Guide to the Sun. Cambridge University Press. pp. 47–53. ISBN 978-0-521-39788-9.

5.Shu, F. H. (1982). The Physical Universe: An Introduction to Astronomy. University Science Books. p. 102. ISBN 978-0-935702-05-7.

6."Ask Us: Sun". Cosmicopia. NASA. 2012. Retrieved 13 July 2017.

7.Williams, D. R. (1 July 2013). "Sun Fact Sheet". NASA Goddard Space Flight Center. Retrieved 12 August 2013.

8.Cohen, H. (9 November 1998). "Table of temperatures, power densities, luminosities by radius in the Sun". Contemporary Physics Education Project. Archived from the original on 29 November 2001. Retrieved 30 August 2011.

 

 

文章作者:零度星系(天文在线)

审核人员:小抽

最终审核:零度星系(天文在线)

编辑用时:2018年09月11日-2018年09月12日

审核用时:约1个小时

最后更新2018年10月30日星期二

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全文排版:天文在线(零度星系)

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