燃烧需要氧气,太阳上没多少氧气,为什么也能燃烧46亿年?
众所周知,燃烧需要氧气。天上的太阳是一个巨大的火球,只是因为离我们太远,所以看起来很小。太阳照耀了我们数千年,怎么就烧不完呢?太阳的燃烧需要氧气吗?
其实,太阳已经连续燃烧了约46亿年。作为太阳系之主,太阳要比其它八大行星早诞生数千万年,我们的地球就已经有45.7亿年的历史了。这个时间不是猜的,而是通过放射性同位素测年法测出来的。
太阳虽然是一个巨大的火球,可太阳发光发热的方式并不是依靠燃烧,也就是不需要氧气。燃烧是一种化学反应,太阳上进行的则是核反应。两者的区别在于,化学反应仅限于原子层面;核反应则进入了原子核层面,它能使一种元素变为另一种元素。
化学上的燃烧就是氧化反应,并不一定需要氧气的参与,但不管如何反应,反应前后的元素种类是不会变的。比如碳和氧气反应会生成二氧化碳,二氧化碳中仍然包含碳元素和氧元素。
更准确来说,太阳是一个由等离子体构成的巨大火球。太阳表面温度约为5500摄氏度,核心处的温度更是高达1500万度。温度如此之高,不管什么物质都会被熔化,只能以等离子态存在。
在太阳核心区域,不仅温度极高,压力也极大,如此才有条件产生核聚变反应。太阳主要由氢构成,只有中心区域的氢才有机会聚变成氦,然后释放出巨大的能量。氢弹就利用了核聚变反应,只是产生核聚变的方式与太阳不同,如果人类能够掌握可控核聚变,那么人类在很长一段时间内都不用担心能源问题。
在太阳内部,两个氢原子核,也就是两个质子,它们会聚变成一个氘原子核。氘是氢的同位素,氘原子核由一个质子和一个中子构成。然后才是氢原子核(或者叫氕原子核)和氘原子核聚变成氦3原子核。氦3原子核,包含两个质子,一个中子。最后,两个氦3原子核还会聚变成氦4原子核(比氦3多一个中子),这样太阳内部的氢聚变为氦的流程才走完。
太阳虽然看起来整体通红,但核聚变只发生于核心区域,在自身重力的束缚下也不会发生爆炸。并且太阳的质量占太阳系总质量的99%,是地球质量的33万倍。论体积,则相当于130万个地球。即使太阳每秒钟能够释放出巨大的能量,这点能量所消耗的物质,对太阳来说也只是九牛一毛。
根据科学家的估计,太阳内部每秒钟约有6亿吨的氢聚变成了5.958亿吨的氦,每秒钟大约要烧掉420万吨的氢,这其中损失的质量就是以能量的形式辐射出去了,我们所感受到的光和热就只是其中的很少一部分辐射。太阳已经连续燃烧了46亿年,大约损失了100个地球质量的物质,不过这还不到太阳质量的0.1%。根据科学家的预测,太阳至少还能燃烧几十亿年。
根据爱因斯坦的质能方程可知,理论上核聚变的质能转化率可以达到0.7%,而烧煤的质能转化率却只有0.0000028%,所以我们一般认为化学反应过程中的质量是守恒的。也正因为核聚变产生能量如此高效,所以仅消耗很少的物质,就能产生极其巨大的能量。
以核裂变为例,核裂变反应的质能转化率约为核聚变反应的四分之一,仅1千克铀238裂变后释放出的能量就相当于2000吨优质煤燃烧后释放出的能量。如果是核聚变,释放出相同的能量,只需用更少的物质。
如果太阳上进行的是化学反应,那么烧不了多久就熄灭了,地球上也不会诞生生命,更不会有人类。