太阳为什么可以产生恒常稳定的能量输出光和热？
太阳为什么可以产生恒常稳定的能量输出光和热？
赵孔儒
2010年9月
太阳如何可以产生这麽多的能量呢？
太阳离地球那麽远，却可以长年累月不断发光发热，让地球生物可以延续生命，新生不息。太阳是一个巨大气团，绝大部份是氢气，因此拥有大量氢元素供核聚变产生大量持续不断的巨大能量。
核聚变是什么？
核聚变，又称核融合，也叫热核反应。它是一个核反应过程，把两个或以上的较细小的轻原子核结合成为一个较重的原子核。由于部份质量在核聚变过程中转换成为能量，因此所产生的较重原子核比原先轻原子核的总质量略小。所以根据著名物理学家阿尔伯特 · 爱因斯坦﹙Albert Einstein﹚的质量与能量转换公式﹙E=mc2﹚，核聚变能产生巨大能量。氢弹引爆时所释放出的巨大能量就是由核聚变所产生的，是一个把质量转换成能量的好例子。
太阳产生能量的核聚变反应是以什么模式进行？
美国物理学家（在德国出生）汉斯 · 贝特﹙Hans Bethe﹚的研究指出，在非常明亮的恒星，最重要的核反应是「碳-氮循环」；而在太阳和相对较为暗淡的恒星，核反应主要是「质子-质子﹙氢核-氢核﹚炼式反应」。因为汉斯‧贝特在核反应理论的贡献，特别是关于恒星产生能量的发现，他获得了1967年的诺贝尔物理学奖。
为什么核聚变不容易发生？
由于原子核有质子带正电，各个原子核之间存在静电作用力，互相排斥。在高温状态下，粒子从热运动中获得必需的动能，用于克服静电排斥力，以便能够达到近距离互相碰撞。原子核相碰提供了融合的机会。但粒子碰撞之后可以分开，不一定结合发生核聚变。且原子核之间的相碰有很多都只是弹性粒子碰撞，有缘瞬间相聚而无份融合的。另外，按照「伽莫夫窗口﹙Gamow window﹚」有关实现核反应的能量要求显示，粒子或原子核的动能要高但亦需限制在一定范围之内才有利于核聚变发生和进行。
在甚麽条件下核聚变才可发生？
除了合适的高温条件，在高密度状态下，原子核互相碰撞的次数或机会率会增多。因为只有很小部份碰撞能成功产生核融合，所以核聚变需要在高温和高密度状态下才能发生。
图1：太阳内部相互抗衡的力量
是否整个太阳都处于核聚变反应之中？
太阳是一团巨大气体，总体质量很大。由于重力作用，越接近太阳中心，压力越大。所以太阳核心区域是处于高度压缩的状态下，密度和温度很高，可以产生核聚变。但在太阳的表层，密度小很多，温度也较低，不利于产生核聚变。所以核聚变主要在太阳的核心深处或核心附近区域出现和进行﹙图1﹚，而不是普遍地在整个太阳发生。
太阳为什么可以恒常产生巨大的能量，稳定地发出光和热？
太阳拥有大量氢元素，可以长期供给太阳核心区域持续不断地进行核聚变，产生大量的能量。
太阳能够稳定地产生巨大能量，是由于太阳的重力、气体压力和辐射压力的互相调节，保持平衡和稳定所得到的结果﹙图1﹚。例如当核反应变慢，产生的能量减少，温度下降，太阳的气团会收缩，导致太阳核心区域的密度和温度增加，以加快核融合反应。另一方面，若核反应变快，产生的能量增多，太阳的气团会膨胀，降低太阳核心区域的密度和温度，使核融合反应变慢。
因此太阳的核融合反应可以有秩序地进行，消耗氢元素，稳定地提供能量发出光和热。
参考资料：
[1] "The Nobel Prize in Physics 1967 - Hans Bethe", Nobelprize.org, The Nobel Foundation.
[2] "Cosmic alchemy in the laboratory", Michael Wiescher, Physics 2, 68 (2009), American Physical Society.
[3] "Nucleosynthesis", NASA (National Aeronautics and Space Administration)
[4] "Quantum Generations: A History of Physics in the Twentieth Century", by Helge Kragh, Princeton University Press, 1999.
[5] "Stars", NASA (National Aeronautics and Space Administration)
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[5] "Stars", NASA (National Aeronautics and Space Administration)