解讀太陽核聚變全過程，原來核物理如此簡單！

太陽是我們最熟悉的天體。它的質量是地球的30萬倍，是太陽系中熱、光和輻射的來源，我們平時總是說：太陽聚變的過程是氫聚變?yōu)楹ぃ∫痪湓捄喍５沁@樣說略顯不專業(yè)，中間省略了很關鍵的一些步驟，今天我們就來看下核物理下的恒星聚變。

太陽所釋放的能量對我們人類來說就是天文數(shù)字。以下是一些關于太陽的事實:

• 太陽的功率為4×10^26瓦，相當于10萬億的大功率發(fā)電廠一次滿負荷運轉時所發(fā)出的能量。
• 太陽已經燃燒了45億年，一直在以幾乎恒定的速度釋放能量。(在整個時間段內的變化低于20%。)
• 釋放的能量來自愛因斯坦著名的E=mc^2，即物質在太陽核心轉化為能量。
• 核心的能量需要傳播到太陽表面，這一過程需要穿過70萬公里的等離子體。

最后一點非常驚人!由于光子很容易與電離的帶電粒子發(fā)生碰撞，所以在太陽核心產生的光子要經過17萬年才能到達表面。

我們以前討論過太陽為什么會發(fā)光，但是我們從來沒有詳細討論過一個至關重要的步驟——太陽的質量是如何轉化為能量的。

從宏觀的角度來看，就核物理而言這個過程很簡單。

除了絕對質量最大的恒星以外，核聚變在太陽中的運作方式是將普通的質子(氫原子核)熔合成氦-4(含有兩個質子和兩個中子的原子核)，并在此過程中釋放能量。

這可能會讓人有點困惑，因為我們記得中子比質子稍微重一點，這個過程怎么會損失質量呢？下圖

核聚變只有當產物的質量（氦-4原子核的質量），小于反應物的質量時才會釋放能量。盡管氦-4是由兩個質子和兩個中子組成的，但這些原子核是結合在一起的，這意味著它們整體的質量比單個部分的質量要輕。

事實上，氦-4不僅比兩個質子和兩個中子輕，它還比四個單獨的質子輕!雖然質量相差沒有那么多，只有0.7%，但只要量足夠大，釋放的能量將會迅速增加。例如，在我們的太陽中，大約每秒鐘就有4×10^38個質子聚變成氦-4；這就是太陽損失質量輸出能量的過程。

但是我們不能把四個質子變成氦-4；事實上，永遠不會有兩個以上的粒子同時發(fā)生碰撞。

那么，如何生成氦-4呢？

大多數(shù)時候，當兩個質子發(fā)生碰撞時，它們只是簡單地碰撞，然后會相互反彈。但是在合適的條件下，有足夠的溫度和密度，它們可以融合在一起形成可能你從未聽說過的氦的狀態(tài):由兩個質子，沒有中子組成的雙質子組合。

雙質子屬于一種極其不穩(wěn)定的結構，絕大多數(shù)時候，會衰變回兩個質子。

但每隔一段時間，少于0.01%雙質子就會經歷β+衰變，在衰變過程中會釋放出正電子(電子的反粒子)、中微子，質子在衰變過程中會轉化為中子。

如果只是觀察初始反應物和最終產物，雙質子的生命周期非常小，我們只會看到如下圖的情況所示，兩個質子結合后立刻會發(fā)生衰變，雙質子存在的中間過程基本看不到。

這時我們將得到氘（氫的一個重同位素），一個正電子（它會立即與一個電子湮滅，產生伽馬射線），還有一個中微子，它會以接近光速的速度逃逸。

制造氘相當困難！事實上，即使在15000000 K的溫度下(太陽核心溫度)，質子的平均動能也只有13Kev。這些能量分布屬于泊松分布，這意味著，一個質子可能具有的最高動能約為170Mev。這還不足以克服質子之間的庫侖勢壘。

但我們不需要完全克服庫侖勢壘，因為宇宙還有另一個方案:量子力學!

這些質子可以通過量子隧穿效應無視庫侖力的存在進入雙質子態(tài)，其中一小部分雙質子會衰變?yōu)殡坏┥呻涂梢皂樌M入下一步。與雙質子相比，氘是一個有利的能量狀態(tài)，更容易進行下一步:氦-3!

將兩個質子結合起來形成氘釋放出的總能量約為2Mev，約為初始質子質量的0.1%。但是如果你在氘中再加入一個質子，就能得到氦-3，變成一個更穩(wěn)定的原子核，其中包括兩個質子和一個中子，并釋放5.5Mev的能量，而且這個反應進行得更快更自然更順暢。

雖然核心中的兩個質子需要數(shù)十億年的時間才能融合成氘，但氘一旦形成，只需一秒鐘就能與質子融合成氦-3!

還有一種可能就是兩個氘核融合在一起，但這種情況非常非常罕見，所以可以肯定地說，100%的氘與一個質子融合成氦-3。

我們通常說太陽中的聚變是“氫融合為氦”，一言代之。但實際上，這個聚變的過程是非常持久的一個過程，涉及多個氫原子進入，一個氦原子產生！在氦-3形成之后，有四種方式可以形成氦-4，氦-4是太陽核心獲取能量最有利的狀態(tài)。

氦-3到氦4的四個種方式

第一種方式也是最常見的方式，是讓兩個氦-3原子核融合在一起，產生一個氦-4原子核并吐出兩個質子。在太陽中形成的所有氦-4原子核中，約86%是由這條路徑形成的。這個反應在1400萬開爾文以下占主導地位，順便說一下，太陽比宇宙中95%的恒星更熱，質量更大。

換句話說，這是宇宙恒星中形成氦-4最常見的路徑:兩個質子在量子力學的作用下產生一個雙質子，雙質子偶爾衰變成氘，氘與一個質子融合生成氦-3，然后在大約一百萬年后，兩個氦-3原子核融合生成氦-4，在這個過程中吐出兩個質子。

但在更高的能量和溫度下（包括太陽核心最深處的1%）另一種反應占據(jù)主導地位。

第二種方式，在高能量下，氦-3可以與一個已經存在的氦-4合并，生成鈹-7。本來鈹-7會找到一個質子生成硼-8;然而，由于它不穩(wěn)定，還沒來得及反應，首先衰變?yōu)殇?7。在我們的太陽中，通常先發(fā)生衰變，然后再加上一個質子，產生鈹-8，鈹-8立即衰變?yōu)閮蓚€氦-4核，這個過程生成的氦-4大約占太陽氦-4總量的14%。

第三種方式，但在質量更大的恒星中（例如：O、B級恒星），質子與鈹-7的聚變發(fā)生在衰變?yōu)殇囍埃膳?8，硼-8首先衰變?yōu)殁?8，然后衰變?yōu)閮蓚€氦-4原子核。這個過程在類太陽恒星中并不重要——只占氦-4總量的0.1%，但在巨大的O類和B類恒星中，這是產生氦-4最重要的聚變反應。

另外，作為補充說明一下第四種方式，氦-3理論上可以直接與質子融合，直接產生氦-4和正電子(以及中微子)。雖然氦-4在我們的太陽中非常罕見，以這種方式產生的氦-4核還不足百萬分之一，但這個過程可能在質量最大的o型星中占據(jù)主導地位!

總結

綜上所述，太陽中的絕大多數(shù)的核反應，每一個反應中最終產物是:

• 兩個質子融合在一起產生氘(約占40%)，
• 氘和質子聚變，產生氦-3(約40%)，
• 氦-3原子核聚變產生氦-4(約17%)
• 氦-3和氦-4聚變生成鈹-7，鈹-7與質子聚變生成兩個氦-4原子核(約3%)。

所以，你會驚訝地發(fā)現(xiàn)，在我們太陽的所有核反應中，氫聚變生成氦的比例不到一半，而自由中子在任何時候都不會參與其中!所以作為一個愛好科學的，以后可不能直接說一句氫聚變就完事了！不專業(yè)！

這就是太陽能量來源的核物理原理，以及在此過程中發(fā)生的反應!