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  • 1 # 使用者5253322899700

    核聚變與引力的關係不大,但與強力(強相互作用力)和電磁力關係極大。

    引力只是形成恆星。恆星誕生於星際氣體雲中,引力把星際氣體雲中的物質收縮集中在一起,形成恆星(及所有的星球)。其後,就是強力和電磁力的事了。

    物質收縮後,內部壓力和溫度持續升高,一是壓力使各原子之間的距離縮短,使它們相互之間靠的越來越近;二是溫度使原子產生越來越劇烈的熱運動,同時溫度使原子發生電離,原來圍繞原子核運動的電子脫離原子核,成為自由電子和帶有正電的離子。

    自由電子和正離子都帶電,在熱運動中,它們相互靠近,又在電磁力(同性相斥)作用下相互遠離。此時,核聚變反應不能發生。核聚變反應必須發生在原子核之間。

    在原子發生電離時,核個電子數越少,電離後越容易出現“光禿禿”的原子核。氫元素是最簡單的原子,核外只有一個電子,因而也最容易發生電離,最容易成為一個自由電子和一個氫原子核,也就是質子。質子只帶一個單位的正電荷,相互靠近時,產生的電斥力也最小。當溫度升高到一定程度(恆星內部溫度達到1200萬度以上)時,質子的熱運動已經能夠使兩個質子足夠接近了。此時,強力開始起作用了。

    引力和電磁力都是長程力,理論上它們的作用距離是無限的。但強力(還有未涉及的弱力,也就是造成原子核衰變的力,也叫弱相互作用力)是短程力,是質子、中子結合成原子核的作用力,只在10^-15米範圍內起作用。池溫度升到足夠高,質子的熱運動使兩個質子之間的距離縮小到10^-15米以內時,強力就會把兩個質子“拉”在一起發生碰撞,結合形成兩個質子組成的原子核。但兩個質子結合是極不穩定的,在結合的瞬間,其中一個質子就會衰變,放出一個正電子(同時還放出一箇中微子),帶走一個正電荷,成為一個不帶電的中子。質子與中子能夠穩定結合在一起,於是,兩個質子結合,就形成了一箇中子與一個質子組成的新的原子核,這個新原子核因為只有一個質子,只帶一個正電荷,所以仍然是氫元素,只不過原子核中多了一箇中子,重量增加了,所以叫“重氫”,也就是氫的一種同位素,也叫“氘”。在這個過程中,兩個原子核聚合成了一個新的原子核,核聚變反應就此發生了。

    但這還沒有完。如果溫度再高一些,氘核再與一個質子發生碰撞,在強力作用下就會結合在一起,再放出一個光子,成為一個帶有兩個質子(兩個正電荷)和一箇中子的新原子核。由於有兩個質子,這種新原子核就不是氫了,是氦,是氦的一種同位素,叫“氦3”。再然後,如果兩個氦3 原子核發生碰撞,在強力作用下,形成一個帶有兩個質子、兩個中子的新原子核,就是氦4,也是最常見的氦原子核。同時,還要放出兩個質子。

    這個過程總的來看,就是四個氫核形成一個氦核,同時產生兩個正電子、兩個中微子和兩個光子。產生的兩個正電子會與自由電子(帶負電荷)迅速結合(同性相吸)發生湮滅,成為兩個光子。後兩步也是核聚變反應。產生的光子就是我們看到的恆星發生的光,光子攜帶的能量就是帶給地球和其他星球的熱量。後兩步聚變反應需要更高的溫度,約為1500萬度。這正是太陽中心的溫度。

    整個核聚變反應如下圖所示。由於這個過程只需要質子的參與,所以這個過程稱為“質子-質子鏈式反應”。

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    另外,如果恆星中心的溫度更高,並有其他元素的參與,還可以發生另一種氫的聚變反應,稱為“碳氮氧迴圈反應”。這是另一回事了。

    如果恆星中心溫度再高一些,氦核也能再次進行核聚變反應,產物是碳核。溫度再高,碳也能繼續發生核聚變反應,產生更重、更復雜的新元素,如氮、氧、矽、鎂。。。。一直到鐵。

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