太陽(yáng)是我們最熟悉得天體。它的質(zhì)量是地球的30萬(wàn)倍，是太陽(yáng)系中熱、光和輻射的來(lái)源，我們平時(shí)總是說(shuō)：太陽(yáng)聚變的過(guò)程是氫聚變?yōu)楹?！一句話?jiǎn)而代之。但是這樣說(shuō)略顯不專(zhuān)業(yè)，中間省略了很關(guān)鍵的一些步驟，今天我們就來(lái)看下核物理下的恒星聚變。
太陽(yáng)所釋放的能量對(duì)我們?nèi)祟?lèi)來(lái)說(shuō)就是天文數(shù)字。以下是一些關(guān)于太陽(yáng)的事實(shí):
太陽(yáng)的功率為4×10^26瓦，相當(dāng)于10萬(wàn)億的大功率發(fā)電廠一次滿負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)所發(fā)出的能量。
太陽(yáng)已經(jīng)燃燒了45億年，一直在以幾乎恒定的速度釋放能量。(在整個(gè)時(shí)間段內(nèi)的變化低于20%。)
釋放的能量來(lái)自愛(ài)因斯坦著名的E=mc^2，即物質(zhì)在太陽(yáng)核心轉(zhuǎn)化為能量。
核心的能量需要傳播到太陽(yáng)表面，這一過(guò)程需要穿過(guò)70萬(wàn)公里的等離子體。
最后一點(diǎn)非常驚人!由于光子很容易與電離的帶電粒子發(fā)生碰撞，所以在太陽(yáng)核心產(chǎn)生的光子要經(jīng)過(guò)17萬(wàn)年才能到達(dá)表面。
我們以前討論過(guò)太陽(yáng)為什么會(huì)發(fā)光，但是我們從來(lái)沒(méi)有詳細(xì)討論過(guò)一個(gè)至關(guān)重要的步驟——太陽(yáng)的質(zhì)量是如何轉(zhuǎn)化為能量的。
從宏觀的角度來(lái)看，就核物理而言這個(gè)過(guò)程很簡(jiǎn)單。
除了絕對(duì)質(zhì)量最大的恒星以外，核聚變?cè)谔?yáng)中的運(yùn)作方式是將普通的質(zhì)子(氫原子核)熔合成氦-4(含有兩個(gè)質(zhì)子和兩個(gè)中子的原子核)，并在此過(guò)程中釋放能量。
這可能會(huì)讓人有點(diǎn)困惑，因?yàn)槲覀冇浀弥凶颖荣|(zhì)子稍微重一點(diǎn)，這個(gè)過(guò)程怎么會(huì)損失質(zhì)量呢？下圖
核聚變只有當(dāng)產(chǎn)物的質(zhì)量（氦-4原子核的質(zhì)量），小于反應(yīng)物的質(zhì)量時(shí)才會(huì)釋放能量。盡管氦-4是由兩個(gè)質(zhì)子和兩個(gè)中子組成的，但這些原子核是結(jié)合在一起的，這意味著它們整體的質(zhì)量比單個(gè)部分的質(zhì)量要輕。
事實(shí)上，氦-4不僅比兩個(gè)質(zhì)子和兩個(gè)中子輕，它還比四個(gè)單獨(dú)的質(zhì)子輕!雖然質(zhì)量相差沒(méi)有那么多，只有0.7%，但只要量足夠大，釋放的能量將會(huì)迅速增加。例如，在我們的太陽(yáng)中，大約每秒鐘就有4×10^38個(gè)質(zhì)子聚變成氦-4；這就是太陽(yáng)損失質(zhì)量輸出能量的過(guò)程。
但是我們不能把四個(gè)質(zhì)子變成氦-4；事實(shí)上，永遠(yuǎn)不會(huì)有兩個(gè)以上的粒子同時(shí)發(fā)生碰撞。
那么，如何生成氦-4呢？
大多數(shù)時(shí)候，當(dāng)兩個(gè)質(zhì)子發(fā)生碰撞時(shí)，它們只是簡(jiǎn)單地碰撞，然后會(huì)相互反彈。但是在合適的條件下，有足夠的溫度和密度，它們可以融合在一起形成可能你從未聽(tīng)說(shuō)過(guò)的氦的狀態(tài):由兩個(gè)質(zhì)子，沒(méi)有中子組成的雙質(zhì)子組合。
雙質(zhì)子屬于一種極其不穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，絕大多數(shù)時(shí)候，會(huì)衰變回兩個(gè)質(zhì)子。
但每隔一段時(shí)間，少于0.01%雙質(zhì)子就會(huì)經(jīng)歷β+衰變，在衰變過(guò)程中會(huì)釋放出正電子(電子的反粒子)、中微子，質(zhì)子在衰變過(guò)程中會(huì)轉(zhuǎn)化為中子。
如果只是觀察初始反應(yīng)物和最終產(chǎn)物，雙質(zhì)子的生命周期非常小，我們只會(huì)看到如下圖的情況所示，兩個(gè)質(zhì)子結(jié)合后立刻會(huì)發(fā)生衰變，雙質(zhì)子存在的中間過(guò)程基本看不到。
這時(shí)我們將得到氘（氫的一個(gè)重同位素），一個(gè)正電子（它會(huì)立即與一個(gè)電子湮滅，產(chǎn)生伽馬射線），還有一個(gè)中微子，它會(huì)以接近光速的速度逃逸。
制造氘相當(dāng)困難！事實(shí)上，即使在15000000 K的溫度下(太陽(yáng)核心溫度)，質(zhì)子的平均動(dòng)能也只有13Kev。這些能量分布屬于泊松分布，這意味著，一個(gè)質(zhì)子可能具有的最高動(dòng)能約為170Mev。這還不足以克服質(zhì)子之間的庫(kù)侖勢(shì)壘。
但我們不需要完全克服庫(kù)侖勢(shì)壘，因?yàn)橛钪孢€有另一個(gè)方案:量子力學(xué)!
這些質(zhì)子可以通過(guò)量子隧穿效應(yīng)無(wú)視庫(kù)侖力的存在進(jìn)入雙質(zhì)子態(tài)，其中一小部分雙質(zhì)子會(huì)衰變?yōu)殡坏┥呻?，就可以順利進(jìn)入下一步。與雙質(zhì)子相比，氘是一個(gè)有利的能量狀態(tài)，更容易進(jìn)行下一步:氦-3!
將兩個(gè)質(zhì)子結(jié)合起來(lái)形成氘釋放出的總能量約為2Mev，約為初始質(zhì)子質(zhì)量的0.1%。但是如果你在氘中再加入一個(gè)質(zhì)子，就能得到氦-3，變成一個(gè)更穩(wěn)定的原子核，其中包括兩個(gè)質(zhì)子和一個(gè)中子，并釋放5.5Mev的能量，而且這個(gè)反應(yīng)進(jìn)行得更快更自然更順暢。
雖然核心中的兩個(gè)質(zhì)子需要數(shù)十億年的時(shí)間才能融合成氘，但氘一旦形成，只需一秒鐘就能與質(zhì)子融合成氦-3!
還有一種可能就是兩個(gè)氘核融合在一起，但這種情況非常非常罕見(jiàn)，所以可以肯定地說(shuō)，100%的氘與一個(gè)質(zhì)子融合成氦-3。
我們通常說(shuō)太陽(yáng)中的聚變是“氫融合為氦”，一言代之。但實(shí)際上，這個(gè)聚變的過(guò)程是非常持久的一個(gè)過(guò)程，涉及多個(gè)氫原子進(jìn)入，一個(gè)氦原子產(chǎn)生！在氦-3形成之后，有四種方式可以形成氦-4，氦-4是太陽(yáng)核心獲取能量最有利的狀態(tài)。
氦-3到氦4的四個(gè)種方式
第一種方式也是最常見(jiàn)的方式，是讓兩個(gè)氦-3原子核融合在一起，產(chǎn)生一個(gè)氦-4原子核并吐出兩個(gè)質(zhì)子。在太陽(yáng)中形成的所有氦-4原子核中，約86%是由這條路徑形成的。這個(gè)反應(yīng)在1400萬(wàn)開(kāi)爾文以下占主導(dǎo)地位，順便說(shuō)一下，太陽(yáng)比宇宙中95%的恒星更熱，質(zhì)量更大。
換句話說(shuō)，這是宇宙恒星中形成氦-4最常見(jiàn)的路徑:兩個(gè)質(zhì)子在量子力學(xué)的作用下產(chǎn)生一個(gè)雙質(zhì)子，雙質(zhì)子偶爾衰變成氘，氘與一個(gè)質(zhì)子融合生成氦-3，然后在大約一百萬(wàn)年后，兩個(gè)氦-3原子核融合生成氦-4，在這個(gè)過(guò)程中吐出兩個(gè)質(zhì)子。
但在更高的能量和溫度下（包括太陽(yáng)核心最深處的1%）另一種反應(yīng)占據(jù)主導(dǎo)地位。
第二種方式，在高能量下，氦-3可以與一個(gè)已經(jīng)存在的氦-4合并，生成鈹-7。本來(lái)鈹-7會(huì)找到一個(gè)質(zhì)子生成硼-8;然而，由于它不穩(wěn)定，還沒(méi)來(lái)得及反應(yīng)，首先衰變?yōu)殇?7。在我們的太陽(yáng)中，通常先發(fā)生衰變，然后再加上一個(gè)質(zhì)子，產(chǎn)生鈹-8，鈹-8立即衰變?yōu)閮蓚€(gè)氦-4核，這個(gè)過(guò)程生成的氦-4大約占太陽(yáng)氦-4總量的14%。
第三種方式，但在質(zhì)量更大的恒星中（例如：O、B級(jí)恒星），質(zhì)子與鈹-7的聚變發(fā)生在衰變?yōu)殇囍?，生成?8，硼-8首先衰變?yōu)殁?8，然后衰變?yōu)閮蓚€(gè)氦-4原子核。這個(gè)過(guò)程在類(lèi)太陽(yáng)恒星中并不重要——只占氦-4總量的0.1%，但在巨大的O類(lèi)和B類(lèi)恒星中，這是產(chǎn)生氦-4最重要的聚變反應(yīng)。
另外，作為補(bǔ)充說(shuō)明一下第四種方式，氦-3理論上可以直接與質(zhì)子融合，直接產(chǎn)生氦-4和正電子(以及中微子)。雖然氦-4在我們的太陽(yáng)中非常罕見(jiàn)，以這種方式產(chǎn)生的氦-4核還不足百萬(wàn)分之一，但這個(gè)過(guò)程可能在質(zhì)量最大的o型星中占據(jù)主導(dǎo)地位!
總結(jié)
綜上所述，太陽(yáng)中的絕大多數(shù)的核反應(yīng)，每一個(gè)反應(yīng)中最終產(chǎn)物是:
兩個(gè)質(zhì)子融合在一起產(chǎn)生氘(約占40%)，
氘和質(zhì)子聚變，產(chǎn)生氦-3(約40%)，
氦-3原子核聚變產(chǎn)生氦-4(約17%)
氦-3和氦-4聚變生成鈹-7，鈹-7與質(zhì)子聚變生成兩個(gè)氦-4原子核(約3%)。
所以，你會(huì)驚訝地發(fā)現(xiàn)，在我們太陽(yáng)的所有核反應(yīng)中，氫聚變生成氦的比例不到一半，而自由中子在任何時(shí)候都不會(huì)參與其中!所以作為一個(gè)愛(ài)好科學(xué)的，以后可不能直接說(shuō)一句氫聚變就完事了！不專(zhuān)業(yè)！
這就是太陽(yáng)能量來(lái)源的核物理原理，以及在此過(guò)程中發(fā)生的反應(yīng)!
