科学百科第17期丨在一颗恒星上，聚变反应可以进行到什么程度？

本期为大家带来：

《你知道吗——现代科学中的100个问题》

本书是阿西莫夫的优秀作品之一。
作者以通俗的语言，深入浅出地解释了现代科学中的一百个尖端课题。
其中，有些是了解现代科学技术所必须具备的基础知识，如科学的研究方法、二进制数、相对论、亚原子粒子、核聚变、熵、晶体、病毒等。有些则是当代科学技术的前沿阵地，如黑洞、统一场论、夸克、快子、金属氢等。
作者对这些问题的来龙去脉，它们目前处在什么样的状态、有没有希望得到解决等问题均作了回答。

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第十七个问题： 在一颗恒星上，聚变反应可以进行到什么程度？

我们知道，当质子和中子相互结合而形成原子核时，这样的结合不但是一种较稳定的结合，而且所含有的质量要比同样一些质子和中子单独存在时所含有的质量少。因此，在发生这样的结合时，多余的质量就会转变为能量而被发射出去。一千吨氢（氢核由单个质子组成）可以转变为９９３吨氦（氦核由两个质子和两个中子结合而成）。

失去的这７吨质量将作为同它等效的能量而被释放出来。凡是象太阳这样的恒星都会辐射出以这种方式形成的能量，太阳每秒钟会把大约６３０，０００，０００吨氢转变为略少于６２５，４００，０００吨氦。换句话说，它每秒钟会失去４，６００，０００吨质量，然而即使在这种惊人的速率下，太阳仍然含有足够多的氢，以保证这种过程继续不断地进行数十亿年之久。不过，太阳的氢供应量总有一天会消耗殆尽。

这是不是说，到了那一天，这样的聚变过程将会终止，太阳从那时起将会成为一颗冷星呢？情况并非如此，因为氦核并不是质子和中子的一种最“节约”的组合方式。氦核还可以经过聚变转化为更加复杂的原子核，例如可以经过聚变而成为象铁原子等一类很复杂的原子核，同时发射出更大的能量。由此可见，前面所说的那１，０００吨氢聚变为９９３吨氦之后，还可以进一步聚变为９９１．５吨铁。也就是说，当氢聚变成氦时会有７吨质量转变为能量，而当氦聚变为铁时，只有１．５吨的质量转变为能量。

然而，到了氢原子都聚变为铁原子，聚变过程就到头了。因为在铁原子核中，质子和中子是以最稳定的形式组合在一起的。铁原子的任何转化，不论是转化为较简单的原子，还是转化为更复杂的原子，总是吸收能量、而不是放出能量。因此可以说，当一颗恒星发展到“氦阶段”时，它已经用掉了五分之四可资利用的聚变能，而当朝着“铁的阶段”发展时，它放出剩下的那五分之一的聚变能，全部聚变能到此就用完了。但是再往后又将发生什么情况呢？

在一颗恒星超过氦阶段继续向前发展的过程中，该恒星核心的温度将会变得越来越高。有人提出一种理论说，当恒星发展到铁阶段时，其核心的温度将会高到足以引起产生大量中微子的核反应。由于中微子不会被星体物质所吸收，所以它们一旦形成，就会以光速向四面八方飞奔，并把能量一起带走。这样一来，恒星的核心就会失去能量，并且很快就突然冷却下来，结果，这颗恒星就会坍缩成一颗白矮星。在坍缩过程中，它的外层，由于仍然含有许多没有铁原子那么复杂的各种原子，因而将会全部立即发生聚变，并爆炸而成为一颗“新星”。由此产生的能量将会形成一些比铁更为复杂的原子，即周期表中位于铁以后的各种原子——一直到铀原子和超铀原子为止。

含有重原子的这种“新星”的碎屑将和星际气体混合在一起。由这类气体所形成的恒星就是“第二代恒星”，正因为如此，所以在“第二代恒星”中才含有少量在恒星本身的聚变反应中绝不可能形成的各种复杂原子，太阳就是这样的第二代恒星，而这也正是地球中为什么会有金和铀这类元素的原因。

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