第14章 師傅教我核聚變(2 / 3)

1934 年,奧立芬特(Oliphant)發現了第一個 D-D 核反應。

1942年,施萊伯(Schreiber)和金(King)在美國普渡大學首次發現了 D-T 核反應。

1951年,美國在核試驗中完成了人類首次核聚變。

1952年,美國在氫彈試驗中首次進行了大規模核聚變。

1967年,在西部地區新疆羅布泊的上空,我國的第一顆氫彈爆炸試驗獲得完全的成功。”

“這是什麼鬼?”

“這裏不是古代修仙世界嗎?”

“什麼傻子啊,今年是3874年。”

“嗯?”

“正是因為人們領悟了世界法則才知道,原來修仙才是唯一的出路。”

“哦……是啊。”

“從宏觀的角度來看,就核物理而言這個過程很簡單。

除了絕對質量最大的恒星以外,核聚變在太陽中的運作方式是將普通的質子(氫原子核)熔合成氦-4(含有兩個質子和兩個中子的原子核),並在此過程中釋放能量。

這可能會讓人有點困惑,因為我們記得中子比質子稍微重一點,這個過程怎麼會損失質量呢?

核聚變隻有當產物的質量(氦-4原子核的質量),小於反應物的質量時才會釋放能量。盡管氦-4是由兩個質子和兩個中子組成的,但這些原子核是結合在一起的,這意味著它們整體的質量比單個部分的質量要輕。

事實上,氦-4不僅比兩個質子和兩個中子輕,它還比四個單獨的質子輕!雖然質量相差沒有那麼多,隻有0.7%,但隻要量足夠大,釋放的能量將會迅速增加。例如,在我們的太陽中,大約每秒鍾就有4×10^38個質子聚變成氦-4;這就是太陽損失質量輸出能量的過程。

但是我們不能把四個質子變成氦-4;事實上,永遠不會有兩個以上的粒子同時發生碰撞。

那麼,如何生成氦-4呢?

大多數時候,當兩個質子發生碰撞時,它們隻是簡單地碰撞,然後會相互反彈。但是在合適的條件下,有足夠的溫度和密度,它們可以融合在一起形成可能你從未聽說過的氦的狀態:由兩個質子,沒有中子組成的雙質子組合。

雙質子屬於一種極其不穩定的結構,絕大多數時候,會衰變回兩個質子。但每隔一段時間,少於0.01%雙質子就會經曆β+衰變,在衰變過程中會釋放出正電子(電子的反粒子)、中微子,質子在衰變過程中會轉化為中子。如果隻是觀察初始反應物和最終產物,雙質子的生命周期非常小,我們隻會看到如下圖的情況所示,兩個質子結合後立刻會發生衰變,雙質子存在的中間過程基本看不到。這時我們將得到氘(氫的一個重同位素),一個正電子(它會立即與一個電子湮滅,產生伽馬射線),還有一個中微子,它會以接近光速的速度逃逸。

製造氘相當困難!事實上,即使在15000000 K的溫度下(太陽核心溫度),質子的平均動能也隻有13Kev。這些能量分布屬於泊鬆分布,這意味著,一個質子可能具有的最高動能約為170Mev。這還不足以克服質子之間的庫侖勢壘。

但我們不需要完全克服庫侖勢壘,因為宇宙還有另一個方案:量子力學!

這些質子可以通過量子隧穿效應無視庫侖力的存在進入雙質子態,其中一小部分雙質子會衰變為氘,一旦生成氘,就可以順利進入下一步。與雙質子相比,氘是一個有利的能量狀態,更容易進行下一步:氦-3!

將兩個質子結合起來形成氘釋放出的總能量約為2Mev,約為初始質子質量的0.1%。但是如果你在氘中再加入一個質子,就能得到氦-3,變成一個更穩定的原子核,其中包括兩個質子和一個中子,並釋放5.5Mev的能量,而且這個反應進行得更快更自然更順暢。