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  • 1 # 使用者5622048527468

    這個問題涉及的內容不少,我們慢慢道來。

    盒子體積慢慢縮小,也可以認為是外加的壓力不斷增大。而這樣的一個過程和天文中的恆星的演化有著一定的相似性。恆星從最開始的星雲在引力的作用吸引到一起進而發生反應,不過恆星的演化是和恆星的質量有關係的,而此處對水的壓縮可以看作是一個超大質量,或者說遠大於太陽質量的恆星的演化。因此,以下的部分過程我會參考恆星的演化過程進行分析。(由於本人不是主修天文的,錯誤在所難免,歡迎各路大神批評指正)。

    1、在第一個階段,水分子結構還能維持住的階段,這個階段主要是經典的熱力學過程。我們先看一下水的相圖

    (原圖連結)圖中橫座標是溫度,縱座標是壓強。

    從上圖中可以看到,水有三種相結構,分別是氣態、液態和固態,這個大家都知道,但是對於固態,卻存在著多種不同的晶格結構。如果我們緩慢的縮小盒子,則相當於逐漸增加壓強,當然還有溫度這個變數,為了簡便起見,不妨假設此時盒子與一個恆溫源接觸,也就是說水的溫度保持不變。那麼由水的三相圖很容易的看出,只讓壓強增加,水的相點豎直向上移動,一定是會移動到固態相中的。

    第一階段:水由液態變為固態。這個過程水放出熱量,但是由於水的壓縮比很小,實際上盒子的體積幾乎沒有什麼變化。

    2、水分子是由氫原子和氧原子構成的。此時,我們類比恆星的演化,盒子不在與恆溫源接觸,而且假設壓縮的速度比較快,內部熱量傳到外面比較慢。此時隨著壓縮的繼續,水的溫度會上升,當升高的一定程度後,水分子的動能非常大,已經遠大於氫氧化學鍵的能量了。此時我們不考慮化學能或者說電磁能(不知道這樣是否正確)。隨著溫度的升高,氫原子之間會發生核聚變反應生成氦元素。氦原子核有四個核子,氫原子核只有一個核子,因此這個過程伴隨著體積的減小,假設氫原子和氧原子的半徑相近,則體積變為:

    ,

    同時伴隨著大量的熱量的釋放。剩下的物質已經不能叫做水了,應該是氦和氧的混合物。不過氦元素不容發生反應,猜測結果是固態氦和固態氧的混合物。這個過程相對穩定,對應於恆星演化的主序星階段。

    第二階段:體積減小,逐漸降為二分之一,釋放大量熱量。

    3、體積進一步壓縮,溫度再次升高,進而使得氦發生核反應。這個過程會逐漸的產生更重的元素,比如碳以及氧,由於碳和氧的原子核中核子數較多,因此體積會減小的更多。此時對應恆星的“氦閃”。這個階段相對於第二階段迅速短暫,當然,不同於恆星,這地方是放在盒子裡,因此不會有“紅巨星”出現。為了簡便,我們可以認為最終就只有碳和氧了。

    第三階段:體積大大減小,放出大量熱量。

    4、在上一階段結束後,體積已經小了很多了,根據恆星這個階段,也就是白矮星,物質的密度已經達到了 ,可以說密度是相當大了。此時繼續加壓,進而會發生更進一步的核反應,具體細節就不表了,最終就是全部聚變為鐵,生成一塊鐵疙瘩。恭喜題主,點水成鐵。

    第四階段:變成一塊鐵疙瘩。

    5、此時再繼續加壓壓縮,鐵原子外面的電子的簡併壓已經無法抵擋這股壓力了,被壓入原子核。我們知道,電子是費米子,滿足泡利不相容原理,原子核外的每個電子“軌道”上只能有兩個電子(因為電子可以處於兩種不同的自旋態),在宏觀上看,就相當於電子之間有一股排斥力,對外形成一個壓力,就叫做簡併壓。

    原子核有質子和中子構成,質子帶正電,中子不帶電。被壓入原子核的電子與質子反應變成中子,因此原子核變成完全由中子構成的物質了。本來由於電磁排斥而保持距離的原子此時變成一堆聚在一起的中子,當然由於中子之間還有強相互作用,因此也會保持一定的距離,但是這個過程體積大大減小。一般原子的半徑為 的量級,而原子核為 ,因此這個過程水的體積驟降 倍!!!這是一個什麼意義呢?直觀的說,假如最開始這個盒子和地球一樣大,地球的半徑為 ,則這樣壓縮後變為一個半徑為 的球!

    此時,就是一個完全由中子構成的一坨物質,在天文學上有一種天體就是這樣的,就是傳說中的中子星。

    第五階段:體積驟降 倍,變成一坨完全由中子構成的物質。

    6、對中子球再進行壓縮就變成黑洞了!這就是整個壓縮過程的終點了。

    第六階段:形成黑洞。壓縮終止。

    對於恆星的演化我們可以參考下圖:

    此圖來自於知乎回答:

    恆星演化的一般程序?

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