为啥太阳能在太空中燃烧50亿年?科学家:眼前所见,并非是真的[18P]
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太阳,我们再熟悉不过的事物。随便问一个人,太阳为什么能发光发热,可能很多人会告诉你因为它是一个燃烧的大火球。但是你有没有想过,太空中又没有氧气,为什么太阳还能一直燃烧呢?又或者说,太阳真的是在燃烧吗?
什么是燃烧在我们日常生活中,随处可见各种各样的火焰,从煤气灶上的火苗、蜡烛中的火花,到森林中的火灾,甚至是天空中的流星。这些火焰的诞生都归功于一种神奇的化学反应,那就是燃烧。燃烧,是一种放热反应,而且通常还伴随着火焰、发光和(或)发烟的现象。初中的时候应该就学过,燃烧的基本要素有两个,一个是可燃物,另一个是氧化剂。
可燃物是指能够参与燃烧的物质,比如木头、煤、油和气体等。而氧化剂则是让可燃物燃烧的元凶,最常见的氧化剂就是我们呼吸时依赖的空气中的氧气。那复习到这里,是不是就真的要开始疑惑了,太阳是在烧什么?它的氧化剂又是什么呢?
太阳真的在燃烧吗?太阳的光芒和热度给我们一种错觉,让我们误以为太阳在燃烧,但事实并非如此。太阳不是在进行燃烧,而是在经历着一种叫做核聚变的过程。核聚变是指轻原子核融合成重原子核的过程,同时释放出巨大的能量。它和燃烧是截然不同的两种反应,它们的原理和条件也完全不同。
太阳的核心有着极高的温度和压力,在这里,原子变成了离子,失去了核外电子,形成了一种电中性的“电浆”,也就是我们常说的等离子。这种电浆主要由氢原子核(也就是质子)和少量的氦原子核组成。在这个环境下,氢原子核在运动时难免会撞在一起,有时就会合体,变成氘原子核,同时释放出一个中子和一个正电子。
接着,氘原子核再次碰撞,形成氦-3的核,这一过程还会产生高能的伽马射线。两个氦-3原子核再次碰撞,形成一个氦-4原子核和两个氢原子核,也继续向外爆发能量。这个过程不断重复,导致太阳核心的氢原子核逐渐转化为氦原子核,这既是太阳源源不断地产生能量的方式,也是我们觉得它是个火球,一直在发光发热的原因。
核聚变和燃烧之间存在许多显着的不同之处,最根本的区别就是,核聚变并不是化学方面的变化。核聚变发生在原子核层面,而燃烧则是在原子外层电子之间进行的变化。核聚变要在高温高压的情况下才能发生,而燃烧只的条件几乎是我们随手就可以创造出来的。
太阳核心温度高达1500万度,压力则相当于3000亿个大气压,这样的条件才能使得氢原子核克服其间的排斥力而结合。相比之下,燃烧只需要可燃物和氧化剂达到特定的燃点温度,就能发生反应。再者,核聚变的能量效率远远高于燃烧。核聚变的能量符合质能方程E=mc^2所描述的现象,当轻元素的原子核在极高温高压下合并成为重元素的原子核时,会释放出巨大的能量。这就是各种恒星的主要能量来源。
而燃烧则是一种化学反应,它的能量来源于原子间的化学键的断裂和重新组合,即原子外层电子的变化。当可燃物与氧气发生反应生成水和二氧化碳时,会释放一定量的热量。这就是我们日常生活中常见的燃烧现象。
就能量效率而言,核聚变远远高于燃烧。因为原子核的质量远比原子的电子多得多,而根据质能方程,能量与质量成正比。简而言之,核聚变释放的能量要远远超过一般化学反应所能产生的能量。
太阳还能烧多久?科学家估计,太阳已经经历了大约46亿年的燃烧,也就是说,它的寿命已经过去了一半。在这漫长的岁月中,太阳的亮度相较于初始状态已经增加了30%。这表明太阳的燃烧并非一成不变,而是随着时间推移而发生着变化。
目前,太阳的核心区域大约有10%的氢,剩下的90%是氦。当这些氢燃烧殆尽时,太阳就会进入下一个演化阶段。根据现在的资料进行预测,太阳还能稳定地燃烧大约50亿年。届时,太阳上将会开始一个新的反应,氦会逐渐转化成碳元素和氧元素。
这个过程将释放更多能量,并且太阳的半径将增加到200~300倍,但是又会慢慢冷却,颜色也将逐渐变为红色。这时太阳迅速膨胀的体积将覆盖地球的轨道,极有可能会吞噬地球,即使没有吞噬,也会使地球烤焦,导致水和大气蒸发,生命将无法维持。随着太阳变得越来越亮,地球的温度将不断上升,在10亿年内,地球的海水将蒸发殆尽,成为一颗干燥炎热的星球。
红巨星阶段也不会持续太久,大约几亿年后,太阳的核心区域的氦也将耗尽,没有燃料支撑,太阳就会萎缩,同时将外层物质抛射到太空,形成美丽的行星状星云。太阳的核心区域将留下一个白矮星,体积仅有地球大小,但质量却占太阳的一半,密度极高,温度极高,但没有光芒,只能依靠余热缓慢冷却。
能给太阳续命吗?可能有人会想,如果太阳烧完了地球也要完蛋,那我们想办法给太阳续上不就行了。这个想法确实很好,但是目前来看很不现实。太阳目前主要依赖氢作为燃料,但氢不是单一的元素,它有多种同位素,如氢、氘、氚等,它们的核聚变反应条件和效率各异。为了让太阳燃烧更为高效,必须精确选择合适的氢同位素。
想要给太阳加油,第一个问题就是确定添加多少燃料。太阳的质量极为庞大,若添加过量燃料,可能增加太阳的质量,导致引力增强,加速燃烧速度,反而缩短太阳寿命。因此,必须找到一种平衡点,确保太阳能够保持稳定的燃烧状态。
而前面的还可以说是个简单的数学问题,真正难以解决的是燃料添加的方式。太阳的表面温度高达6000摄氏度,核心温度更是高达1500万摄氏度,压力达到3000亿个大气压要将燃料送达太阳核心是极其困难的,需要应对太阳高温高压和强辐射,确保安全地运输燃料到核心区域。以人类目前的科技和地球上能找到的材料来说,这件事根本做不到。
结语
尽管太阳在太空中没有氧气,但它在漫长的岁月中,始终依赖着不同的燃料维持着恒定的燃烧过程。这对我们的生活和地球的存在都有着深远的影响。通过对太阳的深入研究,我们也能更好地理解我们所在的宇宙,也能够更加珍惜我们所处的世界。
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