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量子效应太阳内部核聚变

分类:www.813net 作者:admin 来源:未知 发布:2019-05-11 22:11
    好奇心是人类的天性,如果要评选一些自人类诞生以来就一直想知道的问题,那么“太阳到底是怎么发光的?”这一问题绝对可以入选。这个问题放到目前来看,可能有些幼稚了,基本上过中学的学生都能知道答案:核聚变。没错,太阳的光就是来自于核聚变,但这简简单单的三个字却不是那么容易得来的,最早是在20世纪20年代才由亚瑟.爱丁顿提出(是的,就是上篇文章中无情打压钱德拉塞卡的那位),不过当时的理论还非常粗糙。今天这篇文章并不会重点讲解太阳核聚变具体情况,而是介绍这个过程中非常关键的一个步骤——“隧道效应”(这是量子理论里的名词),它是在怎样的巧合下同太阳核聚变联系到一起的呢?故事还得从20世纪讲起。英国著名天文学家赫歇尔(发现天王星的那位),他提出太阳可能是固态的,“我们在地球上见到的光芒,都是因为太阳具有一层炽热耀眼的大气,而在大气下面或许是一个低温的固态星球”,他的这一结论的证据就是太阳的黑子,认为黑子代表着大气缝隙中透露出的低温表面。这个如今看来有些笑掉大牙的结论,恰恰反应了那个年代科学家对太阳的了解是多么的浅薄。
    这一观点很快就被推翻,因为这不能解释维持大气高温的能源从何而来。于是围绕如何持续保持高温这一核心,五花八门的答案扑面而来,其中有一条流传最广的,认为太阳是一颗巨无霸的煤球块(很多科普文中都有提到过这段历史)。因为煤球的持续燃烧,所以www.813.net官网够持续发热发光,同时这也表明了太阳是有寿命的,也就是总有烧完的一天,于是科学家就开始着手计算这个时间,这一算可不得了,像太阳那般尺寸的煤球,顶多就能烧个一千多年不到两千年。而这个结论和当时的星云假说相违背(星云假说,由康德、拉普拉斯提出),因为星云假说认为地球和太阳几乎是一同形成的,具有差不多的年龄,而当时预计的地球寿命都在上千万年到数亿年不等,但绝不是只有几千年(这种几千年的观点,倒是和当时的宗教观点走到一起了)除了上述的假设观点,还有诸如“陨石持续坠落导致发光说”、“自身半径持续收缩保持光度说”等等,但这些无一例外的是,在发生可能的概率以及持续时间上都无法符合地球和太阳的现状。
    时间来到了20世纪20年代,那时候爱因斯坦的狭义和广义相对论已经出世,人们也发现了原子核的嬗变,于是著名天文学家亚瑟.爱丁顿站出来了,他认为太阳的稳定发光发热是由于其内部发生的核聚变导致的,由于爱因斯坦质能方程的支撑,太阳内部的聚变能量可以保证它持续反应数十亿乃至上百亿年(当时对太阳的质量、表面辐射功率等都早已了解)。虽然时间对上了,但仍然遭到了不少科学家反对,最核心的一点:核聚变时需要不同的原子核内的质子相互结合形成新原子核,那么质子是如何克服强大的库仑力呢?想要克服,那就得有极高的动能,而那样就代表了极高的温度,至少要达到数亿度,而这种温度相对于太阳的自身情况是不可能发生的。虽然爱丁顿的核聚变假说在现在看来已经是对的了,但由于当时人类对原子尺度规律的研究正在处于迅速发展期,所以爱丁顿给不了详细的过程变化。但是没有关系,这个困难很快就有人出手相救了。1928年,伽莫夫利用当时才出世没多久的量子力学理论很好的解释了“α衰变过程中α粒子是如何突破库伦势垒”,并把这种穿越势垒的现象称为“隧道效应”(看到这,可能有些朋友就已经明白怎么回事了,在温度略低的状态下,质子也可能会穿透势垒从而发生核聚变反应)。并且这种微观现象是普遍存在于微观粒子尺度世界的,而这个隧道效应表面上也是比较容易理解。打个比方,比如你起自行车从一个高山上自由滑下来,然后你要利用下落产生的动能,并且在不提供其他动力的情况下,翻越一座更高的山,很显然,在宏观世界中,这是不可能发生的事,自行车顶多再冲到相同高度,否则就不符合能量守恒定律了。但如果这件事发生在微观世界,情况就不一样了。我们知道测不准原理,它是指粒子的位置和动量是不能同时确定来的,相应的科学家们还有一个更广的测不准原理,那就是能量和时间的不确定性关系,这辆自行车缩小到微观尺度,那么它就有可能在冲向山坡时,在极端的时间内能量突然增加并成功翻越,之后又能量迅速回归。可能这个例子有些不严谨,大家不必细究,知道一个大概就行。但量子隧道效应是客观存在的事实,比如现在用的扫描隧道电子显微镜,就是利用的这个原理。科学家利用扫描隧道电子显微镜移动分子制作的动图,1932年中子被发现,此后在微观尺度下的强弱相互作用也被提出。于是在这样的情况下,美国天文学家汉斯·贝特出现了。
    他依靠上述的理论基础,在1939年完整的描述了太阳内部核聚变的过程,比如太阳中但主要能量释放的质子—质子链反应,利用四个氢原子核经过几个步骤,最终融合为一个氦原子核,并且能释放放出相当“高性价比”的能量(毕竟只能方程摆在那呢,一点小质量亏损,都能释放出大量的能量),而且这种结合反应释放的能量占了总能量的8成以上,此外还有一丢丢的碳氮循环放能,这里就不再介绍了。
    并且太阳内部的反应温度直接被降到了1500万摄氏度(因为隧道效应,质子有机会能够穿透势垒,进入其它原子核内,而不必再对温度提出极高的要求),否则太阳就会因为内部温度过高,而无法保持稳定,可能就成了一颗氢弹,直接炸掉了。于是乎这位天文学家汉斯·贝特就因为对恒星核反应机制做出的重要贡献而荣获了1967年诺贝尔物理学奖。此后,太阳是靠核聚变发光发热的原理就成了家喻户晓的知识,当然了,这中间少不了量子隧道效应为核聚变的产生“牵线搭桥”。
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