作为我们星球的光芒之源，太阳是无数故事的主角。其重量堪比三十万颗地球，是光与热的缔造者，我们常说：“太阳的核心，氢原子的合璧，成就了氦的诞生！”这不过是一语带过。然而，我们未曾细究的，是那些至关重要的中间环节。今天，让我们走进核物理的天地，探讨太阳内部的聚变奇迹。
太阳的能量之巨，对我们来说无异于宇宙尺度。让我们来审视太阳的一些事实：
太阳的功率高达4×10的26次方瓦特，堪比10万亿座大型发电站齐开足马力。
自45亿年前起，太阳在几乎恒定的速度下释放着能量，期间变化不足20%。
释放的能量，基于爱因斯坦著名的E=mc平方公式，太阳核心的物质在此转化成能量。
核心的能量穿透至太阳表面，需要越过70万公里的炽热等离子体。
而最令人惊奇的是，太阳核心的光子需要历经17万年才能到达表面！
我们早已探讨过太阳为何发光，但从未详细探讨太阳的质量如何转化为能量的全过程。
从宏观角度看，这一过程在核物理上简单明了。
除了质量最大的恒星之外，太阳内部的运作原理是将常见的质子，亦即氢原子核，熔合成氦-4，在过程中释放能量。
你可能会困惑，质子转变为氦-4，损失了质量，为何如此？请见下图：
实际上，只有当产物（氦-4）的质量小于反应物的质量时，聚变过程才释放能量。尽管氦-4由两个质子和两个中子构成，但这些结合的原子核整体质量更轻。
实际上，氦-4的质量不仅轻于两个质子和两个中子，还轻于四个单独的质子！质量之差虽微小（仅0.7%），但一旦质量够大，释放的能量会快速增加。例如，在我们的太阳中，每分每秒都有4×10^38个质子聚变为氦-4，这就是太阳损失质量并释放能量的奥秘。
但我们无法直接将四个质子变为氦-4；实际上，两个以上的粒子同时碰撞几乎不可能。
那么，太阳如何形成氦-4？
通常，两个质子碰撞时仅是简单撞击，然后反弹开去。但在适当的条件下，足够的温度和密度下，它们有可能融合成我们不甚了解的氦状态——双质子。
双质子是一个极为不稳定的结构，绝大多数情况下会迅速衰变回两个质子。
但偶尔，少于0.01%的双质子会发生β+衰变，释放出正电子（电子的反粒子）、中微子，质子在衰变中转为中子。
若只观察初始反应物和最终产物，双质子的生命周期极其短暂，我们仅能观察到如下情况：两个质子结合后迅速衰变，双质子的中间过程几乎不可见。
之后，我们得到氘（氢的同位素）、一个会立即湮灭电子的正电子，和一个以近光速逃离的中微子。
要形成氘，十分困难！事实上，即使在太阳核心15000000 K的温度下，质子的平均动能只有13Kev。质子能量分布遵循泊松分布，这意味着一个质子可能具有的最高动能约为170Mev。这尚不足以克服质子间的库仑斥力。
然而，宇宙还赐予我们另一途径：量子力学！
质子可通过量子隧道效应，忽视库仑力的存在，进入双质子态。一小部分双质子衰变为氘。一旦形成氘，便可顺利进入下一步。与双质子相比，氘处于一个更有利的能量状态，更易于进行下一步：形成氦-3。
将两个质子结合为氘，释放出的总能量约为2Mev，相当于质子质量的0.1%。但若在氘中加入一个质子，便能得到氦-3，这是一个更稳定的原子核，由两个质子和一个中子组成，并释放5.5Mev的能量，且这个过程更为自然、流畅。
尽管核心中的两个质子需要数十亿年才能融合为氘，但一旦形成，仅需一秒便可与一个质子融合为氦-3。
还有一种罕见情况，两个氘核会融合在一起。但可以肯定，100%的氘会与一个质子融合为氦-3。
我们常说太阳中的“氢聚变为氦”，一语概之。但实际上，这是个持久的过程，涉及多个氢原子的进入和一个氦原子的产生。在氦-3形成后，有四种途径形成太阳核心能量获取最有利的状态——氦-4。
关于氦-3到氦4的四种途径：
最常见途径是，两个氦-3原子核融合成一个氦-4核，并吐出两个质子。在太阳中，约86%的氦-4是由此路径产生。此反应在1400万开尔文以下温度占主导。顺便一提，太阳比宇宙中95%的恒星更热、质量更大。
换言之，这是宇宙恒星中形成氦-4最普遍的路径：两个质子在量子力学作用下形成双质子，双质子偶尔衰变为氘，氘与一个质子生成氦-3，之后在约一百万年后，两个氦-3原子核融合生成氦-4，在此过程中释放出两个质子。
但在更高的能量和温度下（尤其是太阳核心的深层），另一种反应占据主导。
第二种途径，在高能量下，氦-3与一个已有的氦-4结合，生成铍-7。铍-7本会找寻质子生成硼-8；但因不稳定，往往在有机会反应前便衰变为锂-7。在太阳中，通常先衰变，然后再加上一个质子，生成铍-8，随即衰变为两个氦-4核，这过程产生的氦-4大约占总量的14%。
第三种途径，在质量更大的恒星中，质子与铍-7的聚变在衰变为锂之前，生成硼-8，随后先衰变为铍-8，再衰变为两个氦-4原子核。此过程在太阳中不重要——仅占总量的0.1%，但在O类和B类恒星中，这是产生氦-4最主要的反应。
还有第四种途径，作为补充说明，氦-3理论上可直接与质子融合，生成氦-4和正电子（及中微子）。这种途径在太阳中极为罕见，不足百万分之一，但在质量最大的O型星中，这或许是主导的反应。
总结而言，在太阳中，主要的核反应及最终产物为：
两个质子融合，产生氘（约40%），
氘与质子聚变，产生氦-3（约40%），
氦-3原子核的聚变，产生氦-4（约17%），
氦-3与氦-4的聚变，生成铍-7，进而生成两个氦-4原子核（约3%）。
因此，你会惊奇地发现，在太阳的全部核反应中，氢聚变生成氦的比例不足一半，而自由中子从未参与其中！故此，我们日后不能仅简单地说“氢聚变”就了事，这不够专业！
热门跟贴