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地球上的主要能量来自于太阳辐射 , 植物可以通过光合作用把太阳辐射的能量固定下来 , 然后通过食物链扩散到整个生态系统 , 被其他的生物所利用 。
【核聚变|太阳每秒燃烧420万吨物质,烧了46亿年,为什么还没烧完?】但是太阳的能量只有极其微小的一部分被地球所用 , 而人类对于太阳辐射的使用效率也是相当低 。 太阳在单位时间内向外辐射的能量只有22亿分之一被地球所接收 。 而被地球接收的这部分能量 , 也只有万分之一左右最终为人类所用 。 换言之 , 人类对于太阳能的使用率只有22万亿分之一 。
所以说 , 太阳所释放的能量是十分巨大的 , 而这一切都要依靠太阳内核的核聚变反应 。 这个核聚变反应每秒钟要烧掉420万吨的物质 。 而太阳已经诞生了46亿年 , 粗略的估算已经烧掉了6*10^23吨(6千万亿亿吨)的物质 。 那么问题来了 , 烧了这么久 , 为什么太阳还没有消耗殆尽?
太阳的核聚变反应
要了解这个问题 , 我们首先要先搞清楚太阳的核聚变反应 。
所谓“核聚变反应”就是原子核的融合 , 因此也被叫核融合 。 在融合的过程中 , 反应前后的质量会有亏损 , 这部分质量到底去哪了呢?
爱因斯坦曾经在1905年提出了著名的质能等价理论 , 这个理论告诉我们“质量”和“能量”是一回事 , 是一个物体的两个面 , 因此也被说是“一体两面” , 质量就是能量 , 或者说质量里有能量;能量就是质量 , 能量里有质量 。
在核聚变反应后 , 这些“亏损”的质量实际上并没有消失 , 而是以能量的形式释放出来 , 其中它们的对应关系就是E=mc^2 , 其中E是释放的能量 , m是“亏损”的质量 , c是光速3*10^9m/s 。 因此 , 即便是“亏损”的质量再少 , 乘以“光速的平方” , 结果也是十分巨大的 , 所以释放的能量会超级大 。
而太阳是主要是由氢和氦元素构成的 , 其中氢原子核的核聚变反应的门槛要比氦元素的低 。 因此 , 太阳是依靠的“氢原子核”的核聚变反应 。 那这个过程是怎么样的呢?
首先 , 太阳的质量达到了整个太阳系总质量的99.86%以上 , 太阳由于自身引力巨大 , 会挤压自身内核 , 使得内核的温度升高 , 最终这个温度会飙到1500多万度 。
在这个温度下 , 物质不再是常见的“气态、固态和液态” , 而是等离子态 。 说白了就是构成物质的原子都被热“碎” , 电子获得了足够高的能量 , 摆脱了原子核的束缚 。 所以太阳是一个完全由原子核(或者说是离子) , 电子 , 光子等粒子构成的 。
在这样的状态下 , 氢原子核按道理说是没办法发生反应的 。 这是因为要促发氢原子核发生核聚变反应的条件是上亿度的高温 。 这是因为氢原子核是带正电的 , 同种电荷会相互排斥 , 不容易发生融合 , 概率大概是一对氢原子核十万亿年才能发生一次反应 。
好在构成太阳的粒子数足够多 , 即便是再低的概率 , 在太阳巨大的基数面前 , 也必然会发生 , 这才使得太阳可以进行氢原子核的核聚变反应 。
在这个反应过程中 , 参与反应的物质在反应前后会“亏损"0.7%的质量 , 这部分质量会以能量的形式释放出来 。 这样算下来 , 太阳每秒就会消耗420万吨的质量 , 但这仅仅占据了参与反应的物质总质量的0.7%而已 。 太阳诞生了46亿年 , 消耗的质量就是6*10^23吨 , 而地球的质量只有5.965×10^21吨 , 这意味着已经消耗掉了10个地球的质量 。
不过 , 相对于太阳而言 , 这个质量还是微乎其微的 , 太阳的总质量达到1.9891*10^27吨 。 “亏损”的质量只占据了太阳总质量的0.03% , 也就是万分之三 。 所以 , 太阳距离消耗完还早得很 。
那问题来了 , 有朝一日太阳会把自己消耗完吗?
恒星会被烧完吗?
答案显然是否定的 , 没有任何的天体都会能够把自身的质量完全转化成能量 。 核聚变反应的转化效率是有限的 , 除非能造出一个“反物质构成的恒星” , 然后让两者湮灭 , 这类似于拿正电子和电子湮灭 。 总而言之 , 只要是通过核聚变反应 , 就不可能完全实现从“质量”到“能量”的完全转化 。
就拿太阳来说 , 当内核的氢元素烧完后 , 会留下大量的氦元素 。 氦元素会因为太阳内核引力的挤压而发生核聚变反应 , 然后生成氧和碳 。 这也就是太阳的终点 , 它会停在这个阶段 , 最终形成一颗白矮星 , 然后慢慢变凉 。
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