【原】科學(xué)百科第17期：在一顆恒星上，聚變反應(yīng)可以進(jìn)行到什么程度？

高?？苹?/a> 2021-01-22

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本期為大家?guī)恚?/span>

《你知道嗎——現(xiàn)代科學(xué)中的100個(gè)問題》

本書是阿西莫夫的優(yōu)秀作品之一。

作者以通俗的語言，深入淺出地解釋了現(xiàn)代科學(xué)中的一百個(gè)尖端課題。

其中，有些是了解現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)所必須具備的基礎(chǔ)知識(shí)，如科學(xué)的研究方法、二進(jìn)制數(shù)、相對(duì)論、亞原子粒子、核聚變、熵、晶體、病毒等。有些則是當(dāng)代科學(xué)技術(shù)的前沿陣地，如黑洞、統(tǒng)一場(chǎng)論、夸克、快子、金屬氫等。

作者對(duì)這些問題的來龍去脈，它們目前處在什么樣的狀態(tài)、有沒有希望得到解決等問題均作了回答。

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第十七個(gè)問題： 在一顆恒星上，聚變反應(yīng)可以進(jìn)行到什么程度？

我們知道，當(dāng)質(zhì)子和中子相互結(jié)合而形成原子核時(shí)，這樣的結(jié)合不但是一種較穩(wěn)定的結(jié)合，而且所含有的質(zhì)量要比同樣一些質(zhì)子和中子單獨(dú)存在時(shí)所含有的質(zhì)量少。

因此，在發(fā)生這樣的結(jié)合時(shí)，多余的質(zhì)量就會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)槟芰慷话l(fā)射出去。

一千噸氫（氫核由單個(gè)質(zhì)子組成）可以轉(zhuǎn)變?yōu)椋梗梗硣嵑ぃêず擞蓛蓚€(gè)質(zhì)子和兩個(gè)中子結(jié)合而成）。

失去的這７噸質(zhì)量將作為同它等效的能量而被釋放出來。

凡是象太陽這樣的恒星都會(huì)輻射出以這種方式形成的能量，太陽每秒鐘會(huì)把大約６３０，０００，０００噸氫轉(zhuǎn)變?yōu)槁陨儆冢叮玻?，４００，０００噸氦?/section>

換句話說，它每秒鐘會(huì)失去４，６００，０００噸質(zhì)量，然而即使在這種驚人的速率下，太陽仍然含有足夠多的氫，以保證這種過程繼續(xù)不斷地進(jìn)行數(shù)十億年之久。

不過，太陽的氫供應(yīng)量總有一天會(huì)消耗殆盡。

這是不是說，到了那一天，這樣的聚變過程將會(huì)終止，太陽從那時(shí)起將會(huì)成為一顆冷星呢？

情況并非如此，因?yàn)楹ず瞬⒉皇琴|(zhì)子和中子的一種最“節(jié)約”的組合方式。

氦核還可以經(jīng)過聚變轉(zhuǎn)化為更加復(fù)雜的原子核，例如可以經(jīng)過聚變而成為象鐵原子等一類很復(fù)雜的原子核，同時(shí)發(fā)射出更大的能量。

由此可見，前面所說的那１，０００噸氫聚變?yōu)椋梗梗硣嵑ぶ?，還可以進(jìn)一步聚變?yōu)椋梗梗保祰嶈F。

也就是說，當(dāng)氫聚變成氦時(shí)會(huì)有７噸質(zhì)量轉(zhuǎn)變?yōu)槟芰?，而?dāng)氦聚變?yōu)殍F時(shí)，只有１．５噸的質(zhì)量轉(zhuǎn)變?yōu)槟芰俊?span style="letter-spacing: 0.544px;background-color: rgb(255, 255, 255);">

然而，到了氫原子都聚變?yōu)殍F原子，聚變過程就到頭了。

因?yàn)樵阼F原子核中，質(zhì)子和中子是以最穩(wěn)定的形式組合在一起的。

鐵原子的任何轉(zhuǎn)化，不論是轉(zhuǎn)化為較簡(jiǎn)單的原子，還是轉(zhuǎn)化為更復(fù)雜的原子，總是吸收能量、而不是放出能量。

因此可以說，當(dāng)一顆恒星發(fā)展到“氦階段”時(shí)，它已經(jīng)用掉了五分之四可資利用的聚變能，而當(dāng)朝著“鐵的階段”發(fā)展時(shí)，它放出剩下的那五分之一的聚變能，全部聚變能到此就用完了。

但是再往后又將發(fā)生什么情況呢？

在一顆恒星超過氦階段繼續(xù)向前發(fā)展的過程中，該恒星核心的溫度將會(huì)變得越來越高。

有人提出一種理論說，當(dāng)恒星發(fā)展到鐵階段時(shí)，其核心的溫度將會(huì)高到足以引起產(chǎn)生大量中微子的核反應(yīng)。

由于中微子不會(huì)被星體物質(zhì)所吸收，所以它們一旦形成，就會(huì)以光速向四面八方飛奔，并把能量一起帶走。

這樣一來，恒星的核心就會(huì)失去能量，并且很快就突然冷卻下來，結(jié)果，這顆恒星就會(huì)坍縮成一顆白矮星。

在坍縮過程中，它的外層，由于仍然含有許多沒有鐵原子那么復(fù)雜的各種原子，因而將會(huì)全部立即發(fā)生聚變，并爆炸而成為一顆“新星”。

由此產(chǎn)生的能量將會(huì)形成一些比鐵更為復(fù)雜的原子，即周期表中位于鐵以后的各種原子——一直到鈾原子和超鈾原子為止。

含有重原子的這種“新星”的碎屑將和星際氣體混合在一起。

由這類氣體所形成的恒星就是“第二代恒星”，正因?yàn)槿绱?，所以在“第二代恒星”中才含有少量在恒星本身的聚變反?yīng)中絕不可能形成的各種復(fù)雜原子，太陽就是這樣的第二代恒星，而這也正是地球中為什么會(huì)有金和鈾這類元素的原因。

科學(xué)百科知識(shí)系列

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艾薩克 · 阿西莫夫

Isaac Asimov

1920－1992

美國(guó)著名科幻小說家、科普作家、文學(xué)評(píng)論家，是美國(guó)科幻小說黃金時(shí)代的代表人物之一。

阿西莫夫一生著述近500本，題材涉及自然科學(xué)、社會(huì)科學(xué)和文學(xué)藝術(shù)等許多領(lǐng)域，與儒勒·凡爾納、赫伯特·喬治·威爾斯并稱為科幻歷史上的三巨頭，同時(shí)還與羅伯特·海因萊因、亞瑟·克拉克并列為科幻小說的三巨頭。

其作品中以《基地系列》、《銀河帝國(guó)三部曲》和《機(jī)器人系列》三大系列被譽(yù)為“科幻圣經(jīng)”。曾多次獲代表科幻界最高榮譽(yù)的雨果獎(jiǎng)和星云終身成就大師獎(jiǎng)（雨果獎(jiǎng)7次、星云獎(jiǎng)3次、軌跡獎(jiǎng)2次）。小行星5020、《阿西莫夫科幻小說》雜志和兩項(xiàng)阿西莫夫獎(jiǎng)都是以他的名字命名。

他提出的“機(jī)器人學(xué)三定律”被稱為“現(xiàn)代機(jī)器人學(xué)的基石”。