
太阳真的会每秒消耗428万吨物质吗?我们可以先来检验一下这种说法天津配资公司。
众所周知,太阳的能量来自其核心物质的核聚变反应,而核聚变的能量则来自于反应过程中出现的质量亏损,所以我们只需要知道太阳每秒钟释放出了多少能量,然后就可以根据质能方程(E = mc^2)计算出太阳每秒会消耗多少物质。
从整体上来看,太阳的辐射强度在各个方向上都是均匀的,因此我们只需要测量出太阳在地球轨道单位面积上的辐射强度,再计算出以太阳为中心,日地距离为半径的球体表面积,然后将两者相乘就可以得到太阳每秒钟释放出多少能量。
已知测量数据显示,太阳在地球轨道的辐射强度约为1369瓦特/平方米,日地距离约149597870000米,据此可得,太阳每秒钟释放出的能量约为3.85 x 10^26焦耳,将其代入质能方程可计算出,太阳每秒消耗的物质约为428万吨。
可以看到,说太阳每秒消耗428万吨物质,还是挺靠谱的。而以这样的消耗速度,太阳已经烧了46亿年,为什么能烧这么久呢?
展开剩余81%简单计算一下可知,每秒428万吨,46亿年就是大约6.2 x 10^23吨,对于我们地球人来讲,这个消耗量确实极为巨大(毕竟都相当于100多个地球了),然而对于太阳来讲,情况却不一样。
要知道太阳的质量大约为1.989 x 10^27吨,也就是说,这点消耗量大概只相当太阳质量的万分之三,所以我们可以清楚地看到,太阳之所以能烧这么久,其实是因为它消耗物质的速度实在是太慢了。但问题是,为什么会这么慢呢?我们接着看。
太阳内部的核聚变主要是“质子-质子链反应”,其过程可以简单地描述为,两个质子(也就是最简单的氢原子核)聚变成氘原子核,然后氘原子核又与另一个质子聚变成氦-3原子核,最后两个氦-3原子核聚变成氦-4原子核,同时释放出两个质子。
我们知道,质子都是带正电荷的,它们会相互排斥,所以想要让质子发生聚变,首先就要让它们具备足以克服彼此之间排斥力的能量。
从微观层面来看,温度就是大量微观粒子热运动的激烈程度,所以温度越高,质子的动能就越大,当温度足够高的时候,质子就可以具备足以克服彼此之间排斥力的动能。具体要多高的温度呢?科学家根据经典物理理论计算出,至少要上百亿K。
然而根据科学家的估算,太阳核心的温度却只有大约1500万K,也就是说,按理来讲,以太阳核心的温度远远达不到核聚变的条件,为什么会这样呢?这曾经是一个令人费解的谜团,不过后来科学家用量子力学中的“量子隧穿”对其进行了合理解释。
简单来讲,“量子隧穿”允许微观粒子在能量不足的情况下,有一定的概率穿过在经典物理学中不可能穿过的能量势垒,而对于质子来讲,它们之间的排斥力其实就是一种能量势垒,所以即使它们自身的能量不足,也可以有一定概率通过“量子隧穿”完成聚变。
根据量子力学,“量子隧穿”发生的概率与能量差距成正比,在太阳核心,因为温度远远达不到理论值,所以质子之间发生“量子隧穿”的概率也就非常低,大概只有1/10^20(1万亿亿分之一)。
但故事还没到此为止,因为就算是两个质子通过“量子隧穿”合并到了一起,在绝大多数情况下,它们仍会很快分开,只有在极少数的时候,它们才会发生聚变。
这一下,就使得质子之间真正发生聚变的概率进一步变低,到底有多低呢?科学家给出的理论值是,大约1/10^28(1万亿亿亿分之一),这样的概率可以说是低得令人发指。
不过太阳的质子数量实在是太多了,也太密集了,根据科学家的估算,太阳核心中的质子数量级可达10^56,平均每立方米的质子数量级也有10^31。
在这样的情况下,即使概率极低,在太阳核心中,每时每刻依然会有极少数一部分质子成功聚变,进而让“质子–质子链反应”源源不断地进行。
也正是因为如此,太阳才能够以极为缓慢的速度消耗物质,即使它已经烧了46亿年,其核心的“核燃料”(氢)仍然很多,估计在50亿年后才会用完。
看到这里,你可能要问了,太阳46亿年才消耗了自身万分之三的质量,再烧50亿年,大概也就是再消耗自身大约万分之三的质量,也就是说,太阳还有巨大的质量没有消耗,为什么就说它“核燃料”用完了呢?其实这是可以解释的。
一方面来讲,“质子-质子链反应”的质能转换率只有大约0.7%,也就是说,1吨的氢聚变后,只会消耗7千克的质量,其他的质量则转换成了氦-4,而以太阳核心的温度,还达不到氦-4的核聚变的条件,所以它们只会堆积在那里,成为“废料”。
另一方面,太阳核心反应区释放出的能量,会在太阳内部形成一个辐射层,这会阻止太阳外层的物质进入核心,这就意味着,在太阳的整个主序星阶段都只能用其核心的氢,而太阳核心的半径却只占太阳整体半径的大约五分之一。
根据恒星理论模型的推演,在太阳核心的氢用完之后,太阳的主序星阶段也会结束,到那个时候,太阳将演化成一颗红巨星,届时太阳的半径将膨胀至现在的近300倍,其巨大的表面将抵达甚至超过地球轨道,进而将地球吞噬。
看上去,这是一个悲伤的结局天津配资公司,不过这样的事情在大约50亿年后才会发生,所以现在的我们不必为此担心。
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