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太阳能是如何产生的?

编辑:网友投稿来源:互联网整理更新时间:2021-10-25 08:44:20

在太阳中产生能量的过程被称为核聚变,这是一种将一种元素转化为另一种元素的方式。具体来说,在太阳中发生的过程是氢-1转化为氦-4。(顺便说一下,我一直坚持的元素名称是用来识别同位素的,如果你不确定这个术语的意思,我在答案的最后加了一段来解释。)由于氦-4比氢-1(原子核中有4个粒子,氢原子中有1个粒子)更重,这涉及到粒子(特别是原子核)粘在一起,因此有了聚变这个术语。

发生在太阳核心(且仅在核心)的核聚变以快速运动粒子和高频光(如伽马射线)的形式产生能量。它们被地核周围的各层吸收,从而加热这些层。这些热量随后到达太阳表面,然后被辐射到太空中。

这是最基本的答案,但还有一个重要的问题没有回答。
 

太阳能量从何而来?


要理解它是如何工作的,首先想象一下伸展一个结实的橡皮筋,然后松开。如果你不把你的手移开橡皮筋会以相当大的能量撞击你的手指。那么这些能量从何而来呢?当你把橡皮筋拉出来的时候你把它放进系统里。这是一个非常重要的物理学原理的例子。

如果两个物体相互吸引(上面例子中橡皮筋的两端),它们会储存势能。势能随物体间距离的增加而增加,随距离的减小而减小。这种势能是两种基本能量之一,另一种是动能(运动的能量)。虽然似乎还有许多其他类型的能量,如热能、化学能、核能等等,但它们都是动能或势能的某种形式。

这和核聚变有什么关系呢?我们在原子核中发现的质子和中子会被一种非常强但短距离的力所吸引,这种力被称为强核力,也被简单地称为强力,有时也被称为色力。因此,当太阳中的氢核啪地一声形成氦核时,它们会释放能量。

然而,不要被上面的段落误导,认为任何原子核的结合(换句话说任何聚变)总是产生能量。我们还需要考虑到这样一个事实:要想发生核聚变,我们需要打破,或至少部分打破,核粒子之间现有的联系,这样它们才能被拉入新的形成。要做到这一点,我们需要向系统中注入能量,但并不能保证我们得到的能量会比我们投入的多。

幸运的是,有一个清晰的模式告诉我们核聚变是否会产生能量。为了解决这个问题,物理学家研究了结合能,结合能是完全打破核子(原子核中质子和中子的通用名称)之间强制力联系所需要的能量。这与一组互不相连的核子聚集在一起形成原子核所释放的能量相同。所以如果我们把X核子连接起来,作为一个特定元素的同位素,我们知道,聚变会释放能量,如果新同位素的结合能大于旧同位素的结合能。所以我们需要看看每个核子的结合能。

太阳能是如何产生的

我们可以看到,每个核子的结合能达到一个峰值,尽管很难准确地说出它在哪里。结果表明,峰值大致在铁的位置,因此铁是最稳定的元素。聚变比铁轻的元素(当然包括氢)会释放能量,因为新系统的结合能高于旧系统。然而,聚变比铁重的元素需要大量的能量输入,比如来自超新星的能量,这是这些元素如此稀少的原因之一。

另一方面,核裂变,即元素分解成较轻的元素,遵循相反的模式。核反应堆中发生的比铁重的裂变元素会释放能量,而轻元素的裂变则需要向系统提供能量。
 

简要介绍一下同位素


同一种元素的所有原子的原子核中都有相同数量的质子。然而,中子(在原子核中发现的唯一另一种粒子)的数量可以变化。这些不同种类的元素被称为同位素。一种元素的所有同位素都有相同的化学性质,但质量和核性质不同。

氢是唯一一种不同同位素有不同名称的元素。氢最基本的形式就是氢(1个质子和0个中子),但是如果你想弄清楚你在说什么,你也可以像我一样叫它氢-1。我们还有氘(一个质子和一个中子)和氚(一个质子和两个中子)。加入更多的中子会产生一个非常不稳定的原子核,据我所知,它还没有一个特定的名字(尽管你仍然可以使用下一段描述的系统)。

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对于其他所有元素,其同位素都用一个简单的编号系统来标识。这个数字是原子核中粒子的数量,而不仅仅是中子。这是因为质子和中子的质量大致相同,而电子的质量可以忽略不计。这意味着用来识别同位素的数字是质量数,并提供了同位素的实际质量的一个相当好的指示。

以氦为例。根据定义,所有氦原子的原子核中都有2个质子,如果我指定我们处理的是氦-4,那么我们就知道这个原子也一定有2个中子。类似地,对于碳(6个质子),我们可以有碳12(标准同位素,有6个中子),但也有其他同位素,如碳14(8个中子)。
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