这是一个经常被误解的问题,氢弹就是氢元素做的,太阳上燃烧的都是氢,很多科普文章中都是这么写的,不能说这理解完全错误,但至少真正氢弹以及太阳燃烧的原理,和大家想象的可就远了去了!
氢弹中的氢到底是什么氢?准确的说,氢弹中的氢也是氢,但它是氢的同位素,氢元素有三种同位素,分别是氕、氘、氚,原子核中则是质子、质子+中子、质子+2中子,三种元素的化学属性几乎就一样,但它们的物理属性却大相径庭,别的不说,含量比例上就大大不同!
自然界中绝大部分都是氕,另有0.02%氘,而自然界中氚则是宇宙射线中的高能中子轰击氘核,结合后形成氚,但氚具有放射性,半衰期是12.43年,所以它是无法长久存在的!
氢弹中的氢就是氘和氚,但氚很难取得,因此除了早期氢弹测试装置中会用液态氘和氚以外,战备值班状态的氢弹,用的都是氘化锂,因为这中间包含了两种元素,氘和锂-6,在氢弹中的原子弹爆炸时产生的高能中子轰击锂-6可以生产氚:
Li+n→4He+H3
H3就是氚,所以氢弹中的氚是现炒现卖的,而不需要液态氘氚的氢弹也叫做干式氢弹。而氢弹中真正聚变的燃料是氘和氚,和占绝大多数比例的氕是没有关系的,你要说半毛钱关系都没有,这是完全正确的!
太阳上燃烧的氢又是什么氢?我们了解了氢弹的原理,但事实上无论在地球上还是太阳上,或者宇宙中这比例都一样,就是氢弹中相对比较容易达到聚变的条件还是容易实现一些,但太阳可没得挑,因为天然的氘在太阳逐渐增长时的褐矮星阶段就烧掉了!到了真正的太阳时代,太阳内核中剩下的氢同位素都是氕,几乎就没有氘!
先不要急,太阳可以自己生产氘,在太阳内核的高温中,游离了电子的质子和质子克服库仑斥力障壁结合在一起,形成了氘(一个质子经由释放出一个 e+和一个中微子成为中子),早先以为太阳内核温度不够,还不足以克服库伦斥力,但后来发现质子可以经由波函数的隧道,穿过排斥障碍而在比传统预测为低的温度下进行聚变反应。
不过这个速度很慢,两个质子完成聚变反应需要超过十亿年的时间,因此太阳是慢慢的生产出它核聚变真正的燃料氘,才让它的寿命那么久!此后这些氘将和氕结合在一起生成氦三,这才是太阳上能量的主要来源,因为氕氕的聚变还需要吸收能量!
太阳上的质子-质子链反应过程
因此太阳上的聚变过程和氢弹的聚变又不一样,但它们有同一种同位素氘,氢弹用的是氚,因为氘和氚的比结合能比较低,人类技术还能勉强实现!太阳上的是氕和氘,因为太阳内核温度已经完全能满足氕和氘的结合。
用地球上所有的氢制造一枚氢弹,威力有多大?准确的说,假如用所有的氢来制造一枚氢弹的话,这枚氢弹的结构无论怎么优化设计,它都不会爆炸,因为最容易聚变的同位素氘只占了0.02%,所以在比例如此低的情况下,无法通过结构优化来实现氢弹的爆炸!因此如果要让它爆炸的话,比如将0.02%的氘提取出来,然后再大约1:1的比例混入氕(90.44%的比例即可)。
地球上的水
因此它的爆炸威力并没有想象中的大,毕竟只有所有氢元素的0.04%左右的质量才能聚变,并且也只有这0.04%质量中的0.1949%质量彻底转换为能量!
计算方式:氕氘聚变2H + 1H → 3He + γ (能量为5.49 MeV)
中子质量:939.5654133MeV
质子质量:938.2720813MeV
氕是一个质子,氘是一中子一质子,所以各位可以算算,假如聚变产物氦三还聚变,那么还需继续计算!假如到氦三就停止了的话,那么地球上所有容易获得的氢元素,制造一枚核弹有多大威力呢?
地球上共有138.6亿亿吨
水中氢氧比例大约是1:8(实际是1:8.006)。
那么氢元素大约有:15.4亿亿吨
能聚变的氕氘的含量大约有:61600000000000吨
能完全转变为能量的质量大约是:120058400000吨
这些质量完全转化为能量相当于:2401168000000000000000吨TNT的能量
大约是24万亿亿吨TNT的能量!
大约相当于太阳7小时内产生的能量总和,看起来确实不小,炸裂地球毁灭生命也完全可以,但地球会在引力作用下重新聚拢成一颗行星,未来也可能会重新形成生命!但要毁灭太阳系,各位看看太阳都毁灭50亿年了,似乎还一点动静都没有哈!
不过各位要了解一下的是这仅仅是简单计算,而如此庞大的聚变则更可能像一颗恒星的发光,从开始发光到最高光度再慢慢变弱,变暗可能需要很长时间!