太阳的聚变是“可控”的吗?

来源:百度文库 编辑:超级军网 时间:2024/03/29 23:30:40
人类造的氢弹瞬间爆炸,聚变发生后就不可控。那太阳那么大一个东西,为啥就能缓慢聚变几十亿年?按说它的聚变材料应该极短的时间内就应该反映完毕才是。人类造的氢弹瞬间爆炸,聚变发生后就不可控。那太阳那么大一个东西,为啥就能缓慢聚变几十亿年?按说它的聚变材料应该极短的时间内就应该反映完毕才是。
如果说太阳因为太过巨大,聚变材料充足,能够维持这么长的时间,可是太阳正在发生的聚变所形成的条件,应该能够使其他的材料发生聚变才是。就好比说一包火药,把火药分散开来当然能支持火药持续燃烧,但是一包火药包在一起投到火里,所有的火药都出于满足燃烧的条件下,就会发生瞬间爆燃,太阳的聚变材料应该也是这种爆发状态啊。
所有的恒星,包括太阳,都是引力与热膨胀力平衡的产物。太阳中心巨大的引力使太阳往内收缩,内部温度提高。当提高到一定程度的时候,就开始产生核聚变。核聚变会产生膨胀力,越往外温度越低,热核聚变减少或停止从而阻止恒星继续收缩。所以能满足聚变条件的区域只有很小一块,所以只能慢慢燃烧。使得恒星保持相对稳定。
太阳的中心是高密度物质组成的,比如各种重金属;按元素周期律从里到外由重到轻排列。最内核部分由于压力太大原子核也被“挤破”。只剩下纯中子结构;这种物质只要一粒绿豆大小便抵得上地球上一座大楼的质量……你可以想象一下太阳中心的引力了。
地球上无法制造如此强大的引力来约束核聚变。所以科学家们想要外在力来约束,难度可想而知了。
文科生的答案见笑了。
太阳的引力还无法把原子压成中子,要压成中子简并态,恒星的质量要大过太阳1.4倍,可以百度:钱德拉塞卡
飞剑夺魂 发表于 2013-12-8 12:23
所有的恒星,包括太阳,都是引力与热膨胀力平衡的产物。太阳中心巨大的引力使太阳往内收缩,内部温度提高。 ...
太过想当然了。
yj060464 发表于 2013-12-8 13:19
太阳的引力还无法把原子压成中子,要压成中子简并态,恒星的质量要大过太阳1.4倍,可以百度:钱德拉塞卡
只要还是恒星,在主星序阶段,就算是比大阳大一百倍,中心都不会是中子简并态!
只有当恒星烧到生命尽头,聚变到生成铁元素,质量大的恒星才会在爆发中留下简并态的核心。

楼上的回答更严谨,楼主对天体感兴趣的话,可以百度:天体物理概论 向守平 孔旭


恒星之所以能在释放聚变能的同时保持稳定的球体结构,靠的是巨量物质造成的巨大引力,这足以平衡聚变能产生的热压力和辐射压力

至于太阳的聚变材料为何没有在极短时间内烧完,是靠氢核聚变的第一步---两个质子融合为氘,此过程需要其中一个质子产生正电子衰变,转化为中子,其特征时间高达10^9年,即一颗质子平均要等待10^9年才能与另一颗质子融合成氘,正是此反应的极端缓慢限制了太阳内部的氢燃料的反应速率

恒星在主序星阶段不可能产生重金属元素,因其核心温度和密度尚不能满足氦以后元素进行聚变反应的要求,电子简并态(白矮星)和中子简并态(中子星)就更不可能了

恒星之所以能在释放聚变能的同时保持稳定的球体结构,靠的是巨量物质造成的巨大引力,这足以平衡聚变能产生的热压力和辐射压力

至于太阳的聚变材料为何没有在极短时间内烧完,是靠氢核聚变的第一步---两个质子融合为氘,此过程需要其中一个质子产生正电子衰变,转化为中子,其特征时间高达10^9年,即一颗质子平均要等待10^9年才能与另一颗质子融合成氘,正是此反应的极端缓慢限制了太阳内部的氢燃料的反应速率

恒星在主序星阶段不可能产生重金属元素,因其核心温度和密度尚不能满足氦以后元素进行聚变反应的要求,电子简并态(白矮星)和中子简并态(中子星)就更不可能了
算是可控的,引力约束
楼主觉的太阳小?太阳的质量是1989亿亿亿吨每秒燃烧6亿吨的氢,且已经并将再燃烧50亿年。


以前,在航天二炮版,有过一楼说太阳核聚变的事,很详细,不妨去挖个坟看看。

http://lt.cjdby.net/thread-357034-1-1.html
标题:向高手请教太阳核聚变??
楼主:只看二炮

以前,在航天二炮版,有过一楼说太阳核聚变的事,很详细,不妨去挖个坟看看。

http://lt.cjdby.net/thread-357034-1-1.html
标题:向高手请教太阳核聚变??
楼主:只看二炮
飞剑夺魂 发表于 2013-12-8 12:23
所有的恒星,包括太阳,都是引力与热膨胀力平衡的产物。太阳中心巨大的引力使太阳往内收缩,内部温度提高。 ...
好强大的文科生
飞剑夺魂 发表于 2013-12-8 12:23
所有的恒星,包括太阳,都是引力与热膨胀力平衡的产物。太阳中心巨大的引力使太阳往内收缩,内部温度提高。 ...
重金属?兄弟,还是干好文科生这本质工作吧。
djwkx 发表于 2013-12-8 23:56
太阳之所以能在释放聚变能的同时保持稳定的球体结构,靠的是巨量物质造成的巨大引力,这足以平衡聚变能产生 ...
你这个“特征时间”如果不是抄回来的就最好说明一下,要不很多人都会不明角里的。
算是可控的,引力约束
受(引力)约速不等于可控(制)。
“控制”含有天量的主观意志!
SamuelHan 发表于 2013-12-11 18:05
你这个“特征时间”如果不是抄回来的就最好说明一下,要不很多人都会不明角里的。
那你觉得我是抄的还是编的?
djwkx 发表于 2013-12-12 18:48
那你觉得我是抄的还是编的?
话说这个聚变反应在动力学上是几级的来着?
djwkx 发表于 2013-12-12 18:48
那你觉得我是抄的还是编的?
那是你的学问,令人钦敬。
只是建议你详细给大家科普一下,别让大家一掠而过,埋没了那么好的学问。
fyapply 发表于 2013-12-13 00:33
话说这个聚变反应在动力学上是几级的来着?
你说的几级是什么意思?
SamuelHan 发表于 2013-12-13 08:05
那是你的学问,令人钦敬。
只是建议你详细给大家科普一下,别让大家一掠而过,埋没了那么好的学问。
这就不对了,我只是说出相关讯息而已,此并非学问,只是很表层的东西

而且我也解释过了,所谓特征时间即质子融合成氘所花的平均时间,也就是10^9年
djwkx 发表于 2013-12-13 11:00
这就不对了,我只是说出相关讯息而已,此并非学问,只是很表层的东西

而且我也解释过了,所谓特征时间 ...
你知道,我也知道,只是实际上很多人不知道,
你不说我就说一下,
还是用你的数据,“所谓特征时间即质子融合成氘所花的平均时间,也就是10^9年”,
是指一对粒子发生穿隧效应而发生核融合的几率,用你的数据就是一对粒子要撞十亿年才能发生一次,
但其实你说的很不全面,太阳(恒星)上只有氢没有氘和氚,
氘和氚只是氢聚变成氦过程中的中间不稳定过渡产物,
太阳核聚变属于质子-质子链反应:
第一个步骤是两个氢原子核聚变1H(质子)成为氘,一个质子经由释放出一个 e+和一个中微子成为中子。
1H + 1H → 2H + e+ + νe
在这个阶段中释放出的中微子带有0.42MeV的能量。
第一个步骤进行的非常缓慢,因为它依赖的吸热的β正电子衰变,需要吸收能量,将一个质子转变成中子。
事实上,这是整个反应的瓶颈,一颗质子平均要等待10^9年才能融合成氘。
正电子立刻就和电子湮灭,它们的质量转换成两个γ射线的光子被带走。
e+ + e− → 2γ (它们的能量为1.02MeV)
在这之后,氘先和另一个氢原子融合成较轻的氦同位素,3He:
2H + 1H → 3He + γ (能量为5.49 MeV)
然后有三种可能的路径来形成氦的同位素4He。
在pp1分支,氦-4由两个氦-3融合而成;
在pp2和pp3分支,氦-3先和一个已经存在的氦-4融合成铍。
在太阳,pp1最为频繁,占了86%,pp2占14%,pp3只有0.11%。还有一种是极端罕见的pp4分支。
pp1分支: 3He +3He → 4He + 1H + 1H + 12.86 MeV
完整的pp1链反应是放出的净能量为26.7MeV。
pp1分支主要发生在一千万至一千四百万K的温度,
当温度低于一千万K时,质子-质子链反应就不能制造出4He。
pp2分支:3He + 4He → 7Be + γ
7Be + e− → 7Li + νe
7Li + 1H → 4He + 4He
pp2分支主要发生在一千四百万至二千三百万K的温度。
90%的在7Be(e−,νe)7Li*的反应中产生的中微子,
90%带有0.861MeV的能量,
剩余的10%带有0.383 MeV 的能量(依据锂-7是在基态还是激发态而定)。
pp3分支: 3He + 4He → 7Be + γ
7Be + 1H → 8B + γ
8B → 8Be + e+ + νe
8Be ↔ 4He + 4He
pp3链反应发生在二千三百万K以上的温度。
pp3链虽然不是太阳主要的能量来源(只占0.11%),但在太阳中微子问题上非常重要,因为它产生的中微子能量是非常高的(高达14.06 MeV)。
pp4或Hep 虽然预测上有这种反应,但因为极为罕见(在太阳中只占千万分之三的量),因此从未曾在太阳中被观测到。
在此种反应中,氦-3直接和质子作用成为氦-4,可以产生能量更高的中微子(高达18.8 MeV)。
3He + 1H → 4He + νe + e+

你的10^9年只是其中的第一步。
djwkx 发表于 2013-12-13 10:56
你说的几级是什么意思?
就是说聚变反应速率和聚变的反应物的浓度的几次方成正比
不定义级数就无法定义特征时间
SamuelHan 发表于 2013-12-13 11:30
你知道,我也知道,只是实际上很多人不知道,
你不说我就说一下,
还是用你的数据,“所谓特征时间即质 ...
你知道,我也知道,只是实际上很多人不知道,
你不说我就说一下,
还是用你的数据,“所谓特征时间即质子融合成氘所花的平均时间,也就是10^9年”,
是指一对粒子发生穿隧效应而发生核融合的几率,用你的数据就是一对粒子要撞十亿年才能发生一次,
但其实你说的很不全面,太阳(恒星)上只有氢没有氘和氚,
氘和氚只是氢聚变成氦过程中的中间不稳定过渡产物
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这个10^9年可不单单是两颗质子发生隧穿效应所花的时间
隧穿效应只是针对粒子动能穿越库仑势垒的问题,本质上仅仅涉及了电磁相互作用
然而两颗质子融合成氘可不单单是突破库仑斥力这么简单,因为融合之前需要其中一颗质子发生正电子衰变,转化为中子,本质上这是弱相互作用
另外,我什么时候说过恒星上有长期存在的氘或氚?


你的10^9年只是其中的第一步
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你照搬那么多百科的东西都没用,因为类似太阳这样的恒星就靠“质子融合为氘”的极端缓慢来获得燃料消耗的极端缓慢,而这就足以回答楼主的问题了
fyapply 发表于 2013-12-13 12:05
就是说聚变反应速率和聚变的反应物的浓度的几次方成正比
不定义级数就无法定义特征时间
反应速率的确跟反应物的粒子密度相关,但不论是何种反应,都不存在几次方的问题,而仅仅只是各种反应物的粒子密度的乘积,且每个因子都是一次方

至于特征时间,那是指的发生单次反应所花的平均时间,这跟反应截面相关,而反应截面其实是指反应几率,这跟粒子密度没什么关系,实际上,反应截面仅仅是温度的函数
你知道,我也知道,只是实际上很多人不知道,
你不说我就说一下,
还是用你的数据,“所谓特征时间即质 ...
算了吧,说说太阳上没有的氘的来路都不屑,你是让教改害的够呛的了,不让说就不说。
反应速率的确跟反应物的粒子密度相关,但不论是何种反应,都不存在几次方的问题,而仅仅只是各种反应物的 ...
密度与截面无关?
杌械教条主义!
SamuelHan 发表于 2013-12-14 10:16
算了吧,说说太阳上没有的氘的来路都不屑,你是让教改害的够呛的了,不让说就不说。
氘的产生我不是说得很清楚了吗,就是两颗质子发生聚变反应,这跟教改有什么关系?呵呵

而你举出质子链反应的二、三步都没什么用,因为它们的特征时间远远小于质子融合为氘的特征时间,也正是后者制造了太阳氢燃料消耗速率的瓶颈
SamuelHan 发表于 2013-12-14 10:18
密度与截面无关?
杌械教条主义!
密度本来就和截面无关,因为截面是考察某一温度下的反应几率,说白了就是粒子束打靶的反应区有多大,密度高一点无非就是反应的次数多一点,密度小一点无非就是反应次数少一点,但反应的几率都是一样的
djwkx 发表于 2013-12-14 13:06
氘的产生我不是说得很清楚了吗,就是两颗质子发生聚变反应,这跟教改有什么关系?呵呵

而你举出质子链 ...
这就是教改改坏了的地方,只抓住其中一点交卷交差,应试式思维,形成看问题片面的习惯。

氢氢穿隧发生核融合,穿得进来也穿得出去,氢氢融合产生氘,逆反应同时存在,
因此太阳的氢海洋里,氘是极其稀罕的事物,也就是22楼所说的密度问题,氘只能在其短暂的生命里再加氢,
以及你所说的温度/反应截面的原因,特征时间远远小于质子融合二、三步是太阳聚变中更大的“瓶颈”!
SamuelHan 发表于 2013-12-14 14:19
这就是教改改坏了的地方,只抓住其中一点交卷交差,应试式思维,形成看问题片面的习惯。

氢氢穿隧发生 ...
不知所云

回答要答到点子上,而答非所问的废话最好不要多说,因为说了也没意义

你说质子聚变成氘有逆反应?太搞笑了,你以为质子聚变只是单纯的隧穿吗?这个反应不仅需要两颗质子穿越库仑势垒,还需要其中一个质子发出正电子变为中子,否则两个质子是不可能形成氘核的.你说逆反应同时存在,换句话说就是氘核重新获得一个正电子?问题是正电子从哪来?正电子一经产生,会立即和电子发生湮灭反应,氘核又从哪里获得正电子?

特征时间是由反应截面确定的,而反应截面跟密度无关

氘在太阳里确实极不常见,因为氘会在短时间内与质子聚变成氦3,此反应的特征时间只有10秒,这才是氘未能在太阳里长期存在的真正原因,至于你所谓的“逆反应”,纯属YY

既然你承认二、三步的特征时间远远小于质子聚变,为何还要YY二、三步是更大的瓶颈?这太搞笑了,所谓燃料消耗速率的瓶颈当然是以第一步为准,因为它的燃耗速率最慢---木桶能装多少水取决于短板,如此浅显的道理还要我来教你?

顺便说一句,第二步的特征时间如前所述,仅有10秒,第三步的特征时间只有3*10^5年,两者都远远小于质子聚变的7*10^9年,如果照你的逻辑,燃耗速率的瓶颈以二、三步为准,那太阳还能有百亿年的寿命?
djwkx 发表于 2013-12-14 21:27
不知所云

回答要答到点子上,而答非所问的废话最好不要多说,因为说了也没意义
隧穿越过势垒是基础,
氘是稳空同位素,这个是我记错了,对不起了。

“反应截面跟密度无关”,跟什么有关呢?
反应不是由单一的一个几率确定的,基数同样重要,基数×几率(或/特征时间)才是反应的决定因素,
第一步反应在氢的海洋里,基数大,几率低(也就是特征时间长),反应缓慢,
以后的步骤几率虽然高(也就是特征时间短),但他的反应物基数小,反应同样缓慢,
片面强调基数或几率(特征时间)在反应中的作用都是机械教条,
但如果你一定要定义与密度无关,那就无关吧。

SamuelHan 发表于 2013-12-15 10:21
隧穿越过势垒是基础,
氘是稳空同位素,这个是我记错了,对不起了。
隧穿效应的确是基础,但两个质子组成的原子核是很不稳定的,会在极短时间内分开,如果其中任意一个质子在此期间未能发生正电子衰变,氘核就无法形成,而实现这一步的几率是很低的,这才造就了恒星聚变反应的极端缓慢

反应截面仅跟温度有关,我已经说了很多遍了

你所谓的“基数×几率”其实是反应速率,那的确和粒子密度有关,但你所谓的“基数小”就不成立了:质子链的第二步是氘核与质子发生反应,而不是氘核与氘核发生反应---虽然氘核的密度小,但质子的密度大,说白了就是氘核周围有大量的质子,两者有大量的碰撞机会;氦3的密度虽然不及质子,但也不是你想象的那样小,特别是在太阳的中心部分

总的来说,太阳的长寿命主要还是依靠质子链的第一步,如果没有这一步,太阳的寿命根本不可能长达百亿年
djwkx 发表于 2013-12-15 12:36
隧穿效应的确是基础,但两个质子组成的原子核是很不稳定的,会在极短时间内分开,如果其中任意一个质子在 ...
你说没关就没关吧。
SamuelHan 发表于 2013-12-15 13:56
你说没关就没关吧。
反应截面的确与密度无关,这是事实
人择原理不知道大家听说过没有

在宇宙学中,人择原理(Anthropic principle)是一种认为物质宇宙必须与观测它的智能生命相匹配的理论。
人择原理指出:如果万物与自然定律存在,那时万物与自然定律将会被人类发现。如果万物与自然定律不是那个形态出现的话,人类就不会知道这些定律是怎样出现的。如果只有在像我们的很少的一些宇宙中,智慧及生命才得以发展并能质疑:"为何宇宙是我们看到的这种样子?" 回答很简单:"如果它不是这个样子,我们就不会在这里。"
——摘自wiki

恒星核心区的核反应,生成的热压力要正好和引力平衡,这个角度上说“引力控制”也对;而这个正好与引力平衡的热压力之所以让恒星在主序星上有足够长的时间,是因为那一步隧穿特别慢,10^9年,这个角度上说“隧穿控制”也对。但为什么隧穿那么慢,为什么物理常数就是这样能让这两个“控制”起作用,总能归结为假设不这样,没有寿命那么长的太阳,就没有我们问这个问题
huor 发表于 2013-12-16 15:38
人择原理不知道大家听说过没有

在宇宙学中,人择原理(Anthropic principle)是一种认为物质宇宙必须与 ...
质子聚变之所以极端缓慢,不仅仅是因为穿透库伦势垒的隧穿效应较难发生,更因为质子的正电子衰变极难发生

djwkx 发表于 2013-12-16 16:08
质子聚变之所以极端缓慢,不仅仅是因为穿透库伦势垒的隧穿效应较难发生,更因为质子的正电子衰变极难发生


质子的正电子衰变,是说质子衰变成正电子加一些pi介子吧?所谓的质子衰变。
这个虽然有的理论预言,但是没任何实验证据
再说恒星的热核反应和这没关系
djwkx 发表于 2013-12-16 16:08
质子聚变之所以极端缓慢,不仅仅是因为穿透库伦势垒的隧穿效应较难发生,更因为质子的正电子衰变极难发生


质子的正电子衰变,是说质子衰变成正电子加一些pi介子吧?所谓的质子衰变。
这个虽然有的理论预言,但是没任何实验证据
再说恒星的热核反应和这没关系
huor 发表于 2013-12-16 16:13
质子的正电子衰变,是说质子衰变成正电子加一些pi介子吧?所谓的质子衰变。
这个虽然有的理论预言,但 ...
不是pi介子,而是中子和中微子

质子聚变的确从未在实验室里被观测到,但4个质子聚变成氦核,这是无庸质疑的,而氦核却是两个质子加两个中子,如果质子不衰变,中子从何而来?因此质子的正电子衰变是必须的

两颗质子聚变为氘核,就必须以此为基础,这能叫做没关系?
djwkx 发表于 2013-12-16 22:23
不是pi介子,而是中子和中微子

质子聚变的确从未在实验室里被观测到,但4个质子聚变成氦核,这是无庸 ...
没有这样的衰变的。中子比质子质量大,而且大过质子和电子的质量和。中子可以衰变成质子、电子和反电子中微子,能量允许;不能质子衰变成中子,正电子和电子中微子。中子衰变的反应就是当年最初发现中微子的反应。
四个质子到两个质子两个中子中间是吸收了两个电子,而不是放出两个正电子。
“质子衰变”是我上面说的
huor 发表于 2013-12-17 00:18
没有这样的衰变的。中子比质子质量大,而且大过质子和电子的质量和。中子可以衰变成质子、电子和反电子中 ...
你是不是以为核反应一定是反应前的质量大于反应后的质量?核反应并不总是放热的,也有吸热的核反应,不然重金属是怎么来的?

质子聚变成氘就要依赖吸热的正电子衰变,至于你所谓的“质子吸收电子”,按你的“能量允许论”来看,质子与电子的质量和仍然小于中子,也就是说,即便以你的逻辑来看,质子吸收电子变为中子也是“能量不允许”的

根据测不准原理,电子是无法靠近或落入原子核中的,因为靠近原子核就意味着不确定但非常大的动量(动能),这要提供非常大的能量(GeV)

实际上,刚形成的白矮星具有上亿K的超高温,密度也是高得惊人,但就算是这样的超高温超高压,也不足以将电子压入质子之内,而只是电子简并态,只有质量大到一定程度后,电子才能与质子融合,形成中子,但此时已形成一个中子星了,远非恒星内核可比