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為啥太陽能在太空中燃燒50億年?科學家:眼前所見,并非是真的
2023/12/24

綜述

太陽,我們再熟悉不過的事物。 隨便問一個人,太陽為什麼能發光發熱,可能很多人會告訴你因為它是一個燃燒的大火球。

但是你有沒有想過,太空中又沒有氧氣,為什麼太陽還能一直燃燒呢?又或者說,太陽真的是在燃燒嗎?

什麼是燃燒

在我們日常生活中,隨處可見各種各樣的火焰,從煤氣灶上的火苗、蠟燭中的火花,到森林中的火災,甚至是天空中的流星。 這些火焰的誕生都歸功于一種神奇的化學反應,那就是燃燒。

燃燒,是一種放熱反應, 而且通常還伴隨著火焰、發光和(或)發煙的現象。國中的時候應該就學過,燃燒的基本要素有兩個, 一個是可燃物,另一個是氧化劑。

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可燃物是指能夠參與燃燒的物質, 比如木頭、煤、油和氣體等。而氧化劑則是讓可燃物燃燒的元兇,最常見的氧化劑就是我們呼吸時依賴的空氣中的氧氣。

那復習到這里,是不是就真的要開始疑惑了, 太陽是在燒什麼?它的氧化劑又是什麼呢?

太陽真的在燃燒嗎?

太陽的光芒和熱度給我們一種錯覺,讓我們誤以為太陽在燃燒,但事實并非如此。 太陽不是在進行燃燒,而是在經歷著一種叫做核聚變的過程。

核聚變是指輕原子核融合成重原子核的過程,同時釋放出巨大的能量。它和燃燒是截然不同的兩種反應,它們的原理和條件也完全不同。

太陽的核心有著極高的溫度和壓力,在這里,原子變成了離子,失去了核外電子, 形成了一種電中性的「電漿」,也就是我們常說的等離子。

這種電漿主要由氫原子核(也就是質子)和少量的氦原子核組成。 在這個環境下,氫原子核在運動時難免會撞在一起,有時就會合體,變成氘原子核,同時釋放出一個中子和一個正電子。

接著,氘原子核再次碰撞,形成氦-3的核,這一過程還會產生高能的伽馬射線。 兩個氦-3原子核再次碰撞,形成一個氦-4原子核和兩個氫原子核,也繼續向外爆發能量。

這個過程不斷重復,導致太陽核心的氫原子核逐漸轉化為氦原子核,這既是太陽源源不斷地產生能量的方式,也是我們覺得它是個火球,一直在發光發熱的原因。

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核聚變和燃燒之間存在許多顯著的不同之處,最根本的區別就是,核聚變并不是化學方面的變化。

核聚變發生在原子核層面,而燃燒則是在原子外層電子之間進行的變化。核聚變要在高溫高壓的情況下才能發生, 而燃燒只的條件幾乎是我們隨手就可以創造出來的。

太陽核心溫度高達1500萬度,壓力則相當于3000億個大氣壓,這樣的條件才能使得氫原子核克服其間的排斥力而結合。相比之下,燃燒只需要可燃物和氧化劑達到特定的燃點溫度,就能發生反應。

再者,核聚變的能量效率遠遠高于燃燒。 核聚變的能量符合質能方程E=mc^2所描述的現象,當輕元素的原子核在極高溫高壓下合并成為重元素的原子核時,會釋放出巨大的能量。這就是各種恒星的主要能量來源。

而燃燒則是一種化學反應,它的能量來源于原子間的化學鍵的斷裂和重新組合,即原子外層電子的變化。

當可燃物與氧氣發生反應生成水和二氧化碳時,會釋放一定量的熱量。這就是我們日常生活中常見的燃燒現象。

就能量效率而言,核聚變遠遠高于燃燒。因為原子核的質量遠比原子的電子多得多,而根據質能方程,能量與質量成正比。 簡而言之,核聚變釋放的能量要遠遠超過一般化學反應所能產生的能量。

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太陽還能燒多久?

科學家估計,太陽已經經歷了大約46億年的燃燒,也就是說,它的壽命已經過去了一半。 在這漫長的歲月中,太陽的亮度相較于初始狀態已經增加了30%。這表明太陽的燃燒并非一成不變,而是隨著時間推移而發生著變化。

目前, 太陽的核心區域大約有10%的氫,剩下的90%是氦。當這些氫燃燒殆盡時,太陽就會進入下一個演化階段。

根據現在的資料進行預測,太陽還能穩定地燃燒大約50億年。屆時,太陽上將會開始一個新的反應, 氦會逐漸轉化成碳元素和氧元素。

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這個過程將釋放更多能量,并且太陽的半徑將增加到200~300倍,但是又會慢慢冷卻,顏色也將逐漸變為紅色。

這時太陽迅速膨脹的體積將覆蓋地球的軌道, 極有可能會吞噬地球,即使沒有吞噬,也會使地球烤焦,導致水和大氣蒸發,生命將無法維持。隨著太陽變得越來越亮,地球的溫度將不斷上升,在10億年內,地球的海水將蒸發殆盡,成為一顆干燥炎熱的星球。

紅巨星階段也不會持續太久,大約幾億年后,太陽的核心區域的氦也將耗盡,沒有燃料支撐,太陽就會萎縮,同時將外層物質拋射到太空,形成美麗的行星狀星云。

太陽的核心區域將留下一個白矮星, 體積僅有地球大小,但質量卻占太陽的一半,密度極高,溫度極高,但沒有光芒,只能依靠余熱緩慢冷卻。

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能給太陽續命嗎?

可能有人會想,如果太陽燒完了地球也要完蛋,那我們想辦法給太陽續上不就行了。這個想法確實很好,但是目前來看很不現實。

太陽目前主要依賴氫作為燃料, 但氫不是單一的元素,它有多種同位素,如氫、氘、氚等,它們的核聚變反應條件和效率各異。為了讓太陽燃燒更為高效,必須精確選擇合適的氫同位素。

想要給太陽加油, 第一個問題就是確定添加多少燃料。太陽的質量極為龐大,若添加過量燃料,可能增加太陽的質量,導致引力增強,加速燃燒速度,反而縮短太陽壽命。

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因此,必須找到一種平衡點,確保太陽能夠保持穩定的燃燒狀態。

而前面的還可以說是個簡單的數學問題,真正難以解決的是燃料添加的方式。 太陽的表面溫度高達6000攝氏度,核心溫度更是高達1500萬攝氏度,壓力達到3000億個大氣壓

要將燃料送達太陽核心是極其困難的,需要應對太陽高溫高壓和強輻射,確保安全地運輸燃料到核心區域。以人類目前的科技和地球上能找到的材料來說,這件事根本做不到。

結語

盡管太陽在太空中沒有氧氣,但它在漫長的歲月中,始終依賴著不同的燃料維持著恒定的燃燒過程。

這對我們的生活和地球的存在都有著深遠的影響。通過對太陽的深入研究,我們也能更好地理解我們所在的宇宙,也能夠更加珍惜我們所處的世界。

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