以太阳为例,太阳每时每刻都要消耗大量的氢燃料来进行核聚变,但是太阳的核聚变并不是发生在整个太阳,我们知道氢核聚变发生的条件是要两个氢粒子非常接近,但是原子核之间的斥力阻碍了这个过程,这就需要粒子之间有巨大的能量来抵消这个斥力,从而引发核聚变。
在太阳里,巨大的质量带来巨大的引力,巨大的引力赋予氢粒子巨大的能量,从而产生核聚变,所以这也暗示里太阳上的核聚变只能发生在太阳的中心---日核。这里主要由氢氦组成,温度高达1500万℃,通过核反应生成的较重元素会继续往太阳的核心处堆积,我们知道太阳是一个气态星体,太阳的燃料就储存在自己的大气之中,这里的温度最高只有几万摄氏度,个别区域可以上百万摄氏度,无法产生聚变反应,是一个不错的燃料仓库,所以我们可以把太阳的大气层看做是油箱,太阳的日核看做是发动机,太阳就是这样的一个工作模式。
那太阳为什么不会一脚油门把油耗光呢? 首先来说,核聚变本质上是两个粒子的碰撞,日核区的高温,是粒子无规则热运动的反映,但是我们知道温度只是热运动剧烈程度的反映,并不代表所有的粒子都是处于高速运动状态,可以参考麦克斯韦-玻尔兹曼分布
动能非常大的粒子和动能非常小的粒子的占比都非常小,而且粒子是无规则的运动,所以碰撞的方向也是随机的,这就造成满足核聚变碰撞的条件就很小了。往往质量越大的恒星核反应区温度越高,温度越高时满足聚变条件的粒子越多,但是温度越高也会造成粒子间的距离变大,使碰撞变得困难。所以粒子的无规则运动以及物体温度与粒子间隙的负反馈关系就像是太阳里面的油门,调节着这台机器的功率。
我们都知道,恒星是巨型分子云在引力的作用下收缩形成的。为什么是巨型分子云,因为质量太小的分子云收缩后,引力太小,不足以给内部压力形成核聚变。但是大质量的分子云坍塌收缩后,引力非常大,足以让内部的氢原子聚变为氦,从而发光放热,形成恒星。注意,这里是内部的氢原子才会核变,外层的压力不够,氢原子不会聚变!
既然认识到恒星内部的核聚变是由于其自身引力造成的,那开头的问题就好解决了。首先,恒星开始核聚变之后,会放热并产生一种向外的膨胀压力,这种压力可以抵抗恒星自身引力使恒星的体积不会骤然缩小。也正是这种向外的压力和恒星的引力之间的动态平衡,使恒星的核聚变控制在一定速率。
假如瞬间很多氢分子发生聚变,就会导致向外压力大于引力,此时星核就会膨胀,造成氢分子密度降低,核反应速自然率减,所以恒星不会也不可能瞬间反应完。当然了,这都是建立在氢分子数量巨大的基础上。总之,恒星核聚变就是在向外压力和自身引力动态平衡之中,以一定速率进行的。
可能有人还会问,让恒星一旦把氢燃烧完之后怎么办?从上面可以知道,如果恒星把氢燃烧完,取向的压力就不足以抵抗,自身引力。恒心质量足够大,引力足够强,那么氦就会再次核聚变,当氦也反应完之后,把恒星根据质量就可能变成白矮星,中子星甚至黑洞。
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