一般來我們講核聚變的順序主要是指恒星的核聚變。由于真正進(jìn)行核聚變的是原子核(所謂核聚變就是這個意思),所以需要通過高溫的條件來分離原子核與電子,恒星和氫彈發(fā)生的核聚變反應(yīng)有所不同,解釋比結(jié)合能前,先了解什么是結(jié)合能,鐵是質(zhì)量和體積小恒星,核聚變剩下核心最終產(chǎn)物。
1、什么是核聚變?
所謂核聚變是指較輕的原子核在一定條件下結(jié)合成較重的原子核。這種反應(yīng)很難發(fā)生,因?yàn)樗璧臈l件非常苛刻,在正常情況下,原子核不會單獨(dú)存在,而是在其周圍會有電子繞行。由于真正進(jìn)行核聚變的是原子核(所謂核聚變就是這個意思),所以需要通過高溫的條件來分離原子核與電子,另一方面,原子核攜帶著正電荷,由于庫侖力,原子核之間會互相排斥,它們很難互相結(jié)合。
為了使原子核發(fā)生聚變,就必須要有高溫的環(huán)境,使原子核具有足夠高的動能來克服能壘,此外,由于原子核極小,即便它們的動能很高,它們之間互相碰撞的可能性很低。因此,核聚變反應(yīng)還需足夠高的密度或者說壓力,這樣才能提高原子核之間發(fā)生碰撞的概率,在滿足反應(yīng)條件之后,當(dāng)原子核足夠接近時將會發(fā)生量子隧穿效應(yīng),從而開始核聚變反應(yīng)。
由于反應(yīng)后的質(zhì)量小于反應(yīng)前,那部分減少的質(zhì)量則會轉(zhuǎn)化為巨大的能量被釋放出來,這就是恒星和氫彈的巨大能量來源,不過,恒星和氫彈發(fā)生的核聚變反應(yīng)有所不同。在恒星的高溫高壓核心部分,氫原子核會聚變?yōu)楹ぴ雍?,但氫彈爆炸并沒有那么高的壓力,只能使用更容易發(fā)生核聚變反應(yīng)的氘和氚。這兩種重氫比普通氫原子多出了中子,它們的反應(yīng)能壘較低,所以更容易結(jié)合成氦,
2、核聚變的順序是什么?
一般來說,我們講核聚變的順序主要是指恒星的核聚變。大概的順序如下:氫-氦-碳-氧-鎂-硅-鐵但這并非說所有的恒星都是這樣能聚變到鐵,這很大程度上去取決于恒星質(zhì)量的大小,這里簡單來說有幾條路徑:1,極小質(zhì)量,一般是太陽質(zhì)量的10%以下,這類星體由于質(zhì)量太小,中心溫度不夠高,以致連氫的核聚變都無法引發(fā),因此它無法演進(jìn)成恒星,最終會變成一顆褐矮星,慢慢冷卻。
2,大部分的原始星體會隨著核心溫度的升高以及引力的關(guān)系,最終引發(fā)氫的核聚變,成為一顆正式的恒星,3當(dāng)恒星的氫逐步聚變?yōu)楹r,恒星的中心逐步變成了一個氦核,質(zhì)量不夠的恒星就會慢慢冷缺,其質(zhì)量和引力還不足以引發(fā)氦元素聚變,變成紅矮星。4質(zhì)量更大的恒星此時會引發(fā)更高溫度和引力的變化,逐步變成紅巨星或者紅超巨星,
紅巨星可能會引發(fā)氦元素的核聚變,從而生成碳和硅等元素,中等質(zhì)量的恒星在變成碳核心之后,會變成白矮星。5紅超巨星的有可能繼續(xù)發(fā)生碳硅的聚變變成鐵,一般來說無論恒星多重,最終的聚變結(jié)果只能是鐵,恒星內(nèi)部不能產(chǎn)生比鐵更重的元素,鐵以后的原子核,目前的科學(xué)理論認(rèn)為只能在超新星爆發(fā)中產(chǎn)生。由于人類目前對恒星演進(jìn)的研究還處在初始階段,甚至一部分論點(diǎn)還是源自于計算機(jī)的模擬結(jié)果,所以無論是核聚變的順序,亦或恒星的生命演進(jìn)過程,還有許許多多的空白需要后人去完善補(bǔ)充和修正,
3、為什么核聚變到產(chǎn)生鐵元素時就停止了?
鐵元素后,核聚變依然能進(jìn)行。只是聚變將不再釋放能量,而是吸收能量,所以恒星內(nèi)的核聚變當(dāng)聚變到鐵后(準(zhǔn)確的說應(yīng)該是鎳-62,但鎳最后都會變成鐵),因?yàn)椴辉籴尫拍芰?,恒星的平衡被打破,核聚變也就進(jìn)行不下去了。為什么鐵之后的聚變要吸收能量?因?yàn)殍F的比結(jié)合能最高,解釋比結(jié)合能前,先了解什么是結(jié)合能?原子核是核子憑借核力結(jié)合在一起構(gòu)成的,要把它們分開,也需要能量,這就是原子核的結(jié)合能(bindingenergy)”――摘自人教版高中物理選修3-5教科書。
結(jié)合能不是元素原子核擁有的能量,只是要拆開(裂變)或組合(聚變)原子核時需要吸收或釋放的能量,原子核里核子數(shù)(質(zhì)子與中子都是核子)越多,結(jié)合能越高。而比結(jié)合能=結(jié)合能÷核子數(shù),也叫平均結(jié)合能,結(jié)合能與比結(jié)合能之間的關(guān)系,相當(dāng)于GDP與平均GDP之間的關(guān)系,就像GDP再牛也沒什么意義,主要得看平均GDP一樣,所以核聚變的重點(diǎn)是看比結(jié)合能而不是結(jié)合能。