魅力科學君 / 待分類 / 宇宙真空中不存在氧氣,為何太陽卻可以熊...

分享

   

宇宙真空中不存在氧氣,為何太陽卻可以熊熊燃燒呢?

2021-05-08  魅力科學君

太陽就像一個巨大的火球一樣掛在天空,每時每刻,它都在無私地向地球輸送能量,正因為如此,地球才會成為生命的天堂,而人類作為地球上唯一一種具有高等智慧的生命,早就已經習慣了太陽的存在。

尷尬的是,在過去的很長一段時間里,人類對太陽都知之甚少,甚至連太陽為什么會發光發熱都搞不清楚。要知道燃燒是需要氧氣的,但宇宙真空中不存在氧氣,為何太陽卻可以熊熊燃燒呢?

是因為太陽自帶氧氣嗎?早在19世紀末,這種觀點就被否定了,因為科學家通過對太陽光譜的分析發現,太陽主要是由氫和氦構成,其中氫占據了太陽質量的大約4分之3,余下的幾乎全都是氦,而太陽的氧含量僅占太陽質量的大約0.77%,根本就不足以支持太陽在宇宙真空中熊熊燃燒。

在20世紀的20年代,物理學家弗朗西斯·阿斯頓發現了一個很有意思的現象:4個單獨的氫原子核的質量之和,總是略微大于一個氦原子核的質量。

科學家據此推測,這種質量的虧損會釋放出大量的能量(理論依據是愛因斯坦在20世紀初提出的質能方程,即E=mc^2),或許太陽就是通過將氫原子核聚變成氦原子核來產生能量。然而這種觀點在提出之后不久就遇到了難題,怎么回事呢?

想要氫原子核聚變成氦原子核,就必須讓它們離得非常近,這樣強核力(又稱強相互作用力)才可以將氫原子核束縛在一起,但氫原子核其實就是一個質子,而質子都是帶正電的,因此質子和質子之間存在著斥力,在這種情況下,就必須讓氫原子核具備很高的動能,才可以克服這種斥力。

我們知道,溫度其實就是指微觀粒子熱運動的劇烈程度,也就是說,必須要有足夠高的溫度,核聚變才可以發生。從理論上來講,氫原子核發生核聚變的溫度至少需要上億攝氏度,但根據科學家的估算,太陽核心的溫度卻只有1500萬攝氏度左右,完全達不到氫原子核發生聚變的標準。

這應該如何解釋呢?科學家們陷入了沉思,不久之后,他們在量子力學中找到了答案。1926年,物理學家埃爾溫·薛定諤提出了薛定諤方程,通過解這個方程可以得出一個令人驚訝的結果,簡單來講就是,在量子力學中,即使微觀粒子本身的動能不足,它也有一定的概率穿過障礙。

這種現象被稱為“量子隧穿效應”,在1927年的時候,物理學家弗里德里?!ず榈略凇半p阱位勢實驗”中,首次發現了“量子隧穿效應”的存在。

而這也就意味著,太陽核心的質子(即氫原子核)也有一定的概率在自身動能不足的情況下,通過“量子隧穿效應”直接穿過由質子之間的斥力所形成的障礙,從而發生核聚變。

至此科學家終于揭開了太陽的能量來源之謎,據此我們也可以看到,太陽其實并沒有在宇宙真空中熊熊燃燒,它的光和熱都來自于其核心的核聚變反應,根本就不需要氧氣的參與,而這與基于化學反應的燃燒現象有著本質的區別。

值得一提的是,太陽核心的核聚變反應主要是“質子-質子鏈反應”,而不是簡單地由4個氫原子核聚變成一個氫原子核。

如上圖所示,在太陽的核心,首先是兩個質子聚變成一個氘原子核,接著氘原子核又會與另一個質子聚變成一個氦-3原子核,在此之后兩個氦-3原子核又會聚變成一個氦-4原子核,并且有兩個質子會被釋放出來。

在這一系列的過程中,由于發生“量子隧穿效應”的概率以及兩個質子聚變成氘原子核的概率都非常低,因此在太陽的核心,核聚變反應就能夠以非常緩慢的速度進行,而這也是太陽能夠持續穩定地釋放出光和熱的原因。


好了,今天我們就先講到這里,歡迎大家關注我們,我們下次再見。

    0條評論

    發表

    請遵守用戶 評論公約

    類似文章 更多
    喜歡該文的人也喜歡 更多

    ×
    ×

    .00

    微信或支付寶掃碼支付:

    開通即同意《個圖VIP服務協議》

    全部>>
    成人免费a级黄毛片,美女裸无遮挡免费观看网站,五月开心亚洲综合在线,免费男女做爰视频免费播放