【流浪地球小科普】(五)重核聚變

在電影《流浪地球》中儒老,為了推動地球離開太陽系蝴乔,全世界人類能力合作,在地球上建造了12000臺高達11000米的行星發(fā)動機驮樊,這些高聳入云的發(fā)動機單個能夠產(chǎn)生150萬億噸的推力薇正,是“流浪地球計劃”中地球能夠在宇宙中流浪的重要保障。


然而這些發(fā)動機的燃料很奇怪巩剖,并不是什么高科技的能源材料铝穷,而是地球上隨處可見的石頭,用男主角劉啟的話說:“說白了就是燒石頭佳魔∈锬簦”

但是,這里的“燒石頭”并不是將石頭燒成石灰石的化學過程鞠鲜,而是組成石頭的元素的原子核發(fā)生聚變反應宁脊,以此來釋放巨大的能量。

我們知道贤姆,氫彈之所以比原子彈的威力還要巨大榆苞,主要是因為氫彈依據(jù)的是核聚變原理。

核聚變霞捡,又稱核融合坐漏、融合反應、聚變反應或熱核反應碧信。核是指由質(zhì)量小的原子赊琳,主要是指氘,在極高的溫度和壓力下才能讓核外電子擺脫原子核的束縛砰碴,讓兩個原子核能夠互相吸引而碰撞到一起躏筏,發(fā)生原子核互相隨便作用,生成新的質(zhì)量更重的原子核(如氦)呈枉,中子雖然質(zhì)量比較大趁尼,但是由于中子不帶電埃碱,因此也能夠在這個碰撞過程中逃離原子核的束縛而釋放出來,大量電子和中子的釋放所表現(xiàn)出來的就是巨大的能量釋放酥泞。

根據(jù)愛因斯坦的質(zhì)能方程:

質(zhì)量的虧損砚殿,會產(chǎn)生巨大的能量,且比例系數(shù)為光速的平方婶博。

我們以氫聚變?yōu)楹さ倪^程為例瓮具,說明核聚變過程中能量產(chǎn)生的原理。

帶有1個中子和1個電子的氘原子(氫的一種同位素)凡人,與帶有2個中子和1個電子的氚原子(氫的一種同位素)名党,?在一定條件作用下,形成一個帶有2個中子和2個電子的氦原子挠轴,這樣就損失掉了一個中子的質(zhì)量传睹。

我們又知道,在原子中中子的質(zhì)量占絕大部分岸晦,盡管單個中子本身的質(zhì)量可能很小欧啤,但是乘上光速的平方這個系數(shù)之后,數(shù)值同樣會變得很大启上,釋放出的能量就可以用驚人來形容了邢隧。

實際上,目前在太陽表面就無時無刻不在進行著氫元素的聚變反應冈在,也正因為如此倒慧,太陽才能夠持續(xù)地為地球提供光和熱。

電影中的“燒石頭”包券,其實上是利用石頭中含有的大量硅元素發(fā)生聚變反應而獲取大量能量纫谅。

硅聚變屬于重核聚變的范疇,原理與氫聚變相似溅固,但人類目前的科技水平還遠遠未能掌握這項技術(shù)付秕。整個宇宙中或許也只有某些質(zhì)量超大的超新星爆發(fā)、中子星合并時才會發(fā)生重核聚變侍郭。

一般來說询吴,在宇宙中自然發(fā)生的元素聚變依循著這樣一個層級:

氫聚變成氦,需要至少200萬度的溫度亮元,恒星最小質(zhì)量至少為0.1個太陽質(zhì)量汰寓;

氦聚變成碳,需要至少2000萬度的溫度苹粟,恒星最小質(zhì)量至少為1個太陽質(zhì)量;

碳聚變成氖跃闹,需要至少8000萬度的溫度嵌削,恒星最小質(zhì)量至少為1.4個太陽質(zhì)量毛好;

氖聚變成氧,需要至少1.5億度的溫度苛秕,恒星最小質(zhì)量至少為5個太陽質(zhì)量肌访;

氧聚變成鎂,需要至少2億度的溫度艇劫,恒星最小質(zhì)量至少為10個太陽質(zhì)量吼驶;

硅聚變成鐵,需要至少3億度的溫度店煞,恒星最小質(zhì)量至少為20個太陽質(zhì)量蟹演。

基本上人們認為硅聚變就是利用聚變反應獲取能量的最后階段,因為鐵元素的聚變反應所需要吸引的能量比釋放的能量還要多顷蟀,整個宇宙中或許也只有某些質(zhì)量超大的超新星爆發(fā)酒请、中子星合并時才會發(fā)生重核聚變,產(chǎn)生鐵元素之后的重核元素鸣个。

當鐵元素產(chǎn)生的那一刻羞反,恒星因為核聚變向外產(chǎn)生的輻射壓就消失了,于是恒星所有的物質(zhì)都開始砸向鐵元素形成的地方囤萤,這一瞬間的改變非常的劇烈昼窗,導致恒星瞬間釋放出超過一生核聚變的能量,就在這一瞬間涛舍,大量的鐵元素在高溫高壓下通過核聚變合成澄惊,然而剩余的能量仍然非常巨大,于是接著合成了鐵以上的種種元素做盅,質(zhì)量特別巨大的恒星甚至能達到合成金和鉛甚至更高元素的階段缤削。

還有一些重元素是通過中子星合并形成的,中子星本身都是質(zhì)量巨大的星球吹榴,他們合并的一瞬間會產(chǎn)生比亭敢,恒星超新星爆發(fā)更驚人的高溫高壓,有些質(zhì)量較大的中子星的合并甚至能生成黑洞图筹,所以在中子星形成的一瞬間帅刀,也會有一些新的元素被制造出來。

宇宙間的各種物資就是被這樣制造出來的远剩,元素周期表上的元素也絕大部分是通過這種手段出現(xiàn)的扣溺。

人類已經(jīng)可以實現(xiàn)的核聚變只有氫彈的爆炸,但聚變過程依然是不受控制的瓜晤。核聚變?nèi)剂峡蓙碓从诤K鸵恍┹p核锥余,目前科學家們正在努力研究可控核聚變反應,以求使之成為未來取之不盡的能量來源痢掠。

另外提一句驱犹,氫彈并不單純發(fā)生聚變反應嘲恍,因為核聚變需要在極高的能量條件,因此目前的氫彈都是在原子彈內(nèi)放入氘和氚雄驹,利用原子彈爆炸時產(chǎn)生的超高溫佃牛,使氘和氚發(fā)生聚變反應,從而在極短的時間內(nèi)釋放出巨大能量医舆。由此可見俘侠,氫彈是核裂變與核聚變技術(shù)混合的產(chǎn)物。

這次的分享就到這里蔬将,下一次我們來聊聊引力彈弓爷速。

往期文章:

【流浪地球小科普】(一)流浪的行星

【流浪地球小科普】(二)紅巨星與氦閃

【流浪地球小科普】(三)宇宙速度

【流浪地球小科普】(四)人工重力


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