對(duì)于我們而言，太陽(yáng)是宇宙中最為親近的天體。其質(zhì)量是地球的三十萬(wàn)倍，是光和熱的源泉，我們常常簡(jiǎn)略地說：“太陽(yáng)上的核聚變，是氫原子合成氦原子的過程！”不過，這種說法略顯粗糙，漏掉了一些關(guān)鍵的細(xì)節(jié)。

現(xiàn)在，讓我們深入核物理領(lǐng)域，探究在恒星內(nèi)部發(fā)生的核聚變過程。

太陽(yáng)為我們所提供的能量，對(duì)人類而言無(wú)疑是巨大的。以下就是關(guān)于太陽(yáng)的若干事實(shí)：

太陽(yáng)的功率高達(dá)4×10^26瓦特，相等于10萬(wàn)億座大型發(fā)電廠全負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)所發(fā)出的總能量。

太陽(yáng)已經(jīng)燃燒了45億年，期間以近乎恒定的速率持續(xù)釋放能量。(在這段時(shí)間內(nèi)，能量的變化幅度不超過20%。)

釋放出的能量源自愛因斯坦著名的質(zhì)能方程E=mc^2，在太陽(yáng)的核心，物質(zhì)轉(zhuǎn)化為能量。

核心的能量需要傳播到太陽(yáng)表面，這一過程需穿越70萬(wàn)公里的氣體等離子體。

最后一點(diǎn)非常引人注目，由于光子頻繁與電離態(tài)的帶電粒子碰撞，太陽(yáng)核心生成的光子需歷經(jīng)17萬(wàn)年才能抵達(dá)表面。

我們?cè)懻撨^太陽(yáng)為何發(fā)光，但從未詳細(xì)探討太陽(yáng)質(zhì)量如何轉(zhuǎn)化為能量的關(guān)鍵步驟。

從宏觀核物理角度看，這個(gè)過程相當(dāng)直接。

除了質(zhì)量極大的恒星外，太陽(yáng)內(nèi)部的核聚變過程是將普通的質(zhì)子（氫原子核）熔合成氦-4（含兩個(gè)質(zhì)子和兩個(gè)中子的原子核），并在過程中釋放能量。

這可能讓人感到困惑，因?yàn)槲覀冎乐凶拥馁|(zhì)量略大于質(zhì)子，那么這個(gè)過程怎么會(huì)損失質(zhì)量呢？請(qǐng)看下圖：

只有當(dāng)核聚變產(chǎn)物（氦-4原子核）的質(zhì)量小于反應(yīng)物的質(zhì)量時(shí)，才能釋放能量。盡管氦-4由兩個(gè)質(zhì)子和兩個(gè)中子構(gòu)成，但它們結(jié)合在一起的總質(zhì)量卻比單獨(dú)的質(zhì)量要輕。

實(shí)際上，氦-4不僅比兩個(gè)質(zhì)子和兩個(gè)中子輕，它比四個(gè)單獨(dú)的質(zhì)子還要輕！盡管質(zhì)量差并不大，只有0.7%，但只要數(shù)量足夠大，釋放的能量會(huì)迅速增加。例如，在太陽(yáng)中，每秒鐘大約有4×10^38個(gè)質(zhì)子轉(zhuǎn)化成氦-4，這就是太陽(yáng)質(zhì)量損失并輸出能量的過程。

但我們不能直接將四個(gè)質(zhì)子轉(zhuǎn)化為氦-4；事實(shí)上，兩個(gè)以上的粒子同時(shí)發(fā)生碰撞幾乎不可能。

那么，如何形成氦-4呢？

大多數(shù)情況下，當(dāng)兩個(gè)質(zhì)子碰撞時(shí)，它們僅是相互反彈。然而，在合適的溫度和密度條件下，它們有可能融合成一個(gè)前所未聞的氦狀態(tài)：雙質(zhì)子。

雙質(zhì)子是一種極不穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，絕大多數(shù)時(shí)候會(huì)迅速衰變回兩個(gè)質(zhì)子。

但偶爾，少于0.01%的雙質(zhì)子會(huì)經(jīng)歷β+衰變，在這個(gè)過程中釋放出正電子（電子的反粒子）、中微子，同時(shí)質(zhì)子會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)橹凶印?/p>

如果只觀察初始反應(yīng)物和最終產(chǎn)物，雙質(zhì)子的生存時(shí)間極短，我們只會(huì)看到如下圖所示，兩個(gè)質(zhì)子結(jié)合后立即發(fā)生衰變，雙質(zhì)子的中間狀態(tài)幾乎不可見。

接著我們得到了氘（氫的同位素之一），一個(gè)正電子（立即與一個(gè)電子湮滅，產(chǎn)生伽馬射線），以及一個(gè)以接近光速逃逸的中微子。

形成氘極具挑戰(zhàn)！事實(shí)上，即使在太陽(yáng)核心15000000 K的高溫下，質(zhì)子的平均動(dòng)能也只有13Kev。能量分布呈泊松分布，這意味著質(zhì)子可能具有的最高動(dòng)能約為170Mev。然而，這還不足以克服質(zhì)子間的庫(kù)侖斥力。

但我們不必完全克服庫(kù)侖斥力，因?yàn)榱孔恿W(xué)提供了另一個(gè)方案！

質(zhì)子可以通過量子隧道效應(yīng)忽略庫(kù)侖力，進(jìn)入雙質(zhì)子態(tài)，其中有一小部分雙質(zhì)子會(huì)衰變?yōu)殡?。一旦形成氘，它就可以順利進(jìn)行下一步：氦-3的生成。

將兩個(gè)質(zhì)子結(jié)合成氘所釋放的總能量約2Mev，相當(dāng)于質(zhì)子質(zhì)量的0.1%。但如果在氘中加入一個(gè)質(zhì)子，就能得到氦-3，這是一個(gè)更穩(wěn)定的原子核，包含兩個(gè)質(zhì)子和一個(gè)中子，并釋放5.5Mev的能量，而且這個(gè)過程更為自然、快速、流暢。

雖然核心中的兩個(gè)質(zhì)子需要數(shù)十億年才能融合成氘，但一旦形成氘，只需一秒鐘就能與一個(gè)質(zhì)子融合成氦-3。

還有一種罕見的情況是兩個(gè)氘核融合，但這種情況非常少見，因此我們可以肯定地說，100%的氘與一個(gè)質(zhì)子融合成氦-3。

我們通常將太陽(yáng)中的核聚變過程簡(jiǎn)單地描述為“氫轉(zhuǎn)化為氦”，但實(shí)際上，這是一個(gè)復(fù)雜而漫長(zhǎng)的過程，涉及多個(gè)氫原子參與，并最終產(chǎn)生一個(gè)氦原子！在形成氦-3之后，有四種途徑可以形成氦-4，這是太陽(yáng)核心獲取能量的最有利狀態(tài)。

形成氦-3至氦-4的四種途徑

第一種，也是最常見的，是讓兩個(gè)氦-3原子核融合，生成一個(gè)氦-4原子核并釋放出兩個(gè)質(zhì)子。在太陽(yáng)中生成的所有氦-4原子核中，約有86%是通過這一路徑形成的。這一過程在1400萬(wàn)開爾文以下的溫度中占主導(dǎo)地位，順帶一提，太陽(yáng)比宇宙中95%的恒星還要熱，質(zhì)量也更大。

換句話說，在恒星中形成氦-4的最常見路徑是：兩個(gè)質(zhì)子在量子隧道效應(yīng)作用下形成雙質(zhì)子，雙質(zhì)子偶爾衰變?yōu)殡?，氘與一個(gè)質(zhì)子生成氦-3，然后在大約一百萬(wàn)年后，兩個(gè)氦-3原子核融合生成氦-4，在此過程中釋放出兩個(gè)質(zhì)子。

但在更高的能量和溫度下（太陽(yáng)核心最深處的1%），另一種反應(yīng)占據(jù)主導(dǎo)。

第二種途徑，在高能量下，氦-3可以與一個(gè)現(xiàn)有的氦-4合并，生成鈹-7。原本鈹-7會(huì)找一個(gè)質(zhì)子生成硼-8；然而，由于它不穩(wěn)定，在反應(yīng)前就會(huì)衰變?yōu)殇?7。在太陽(yáng)中，通常在衰變后加上一個(gè)質(zhì)子，生成鈹-8，鈹-8迅速衰變?yōu)閮蓚€(gè)氦-4核，這一過程生成的氦-4約占太陽(yáng)中氦-4總量的14%。

第三種途徑，在質(zhì)量更大的恒星中（例如O型、B型恒星），質(zhì)子與鈹-7的聚變發(fā)生在衰變至鋰之前，生成硼-8，硼-8首先衰變?yōu)殁?8，再衰變?yōu)閮蓚€(gè)氦-4原子核。這一過程在與太陽(yáng)類似的恒星中并不重要，只占氦-4總量的0.1%，但在巨大的O型和B型恒星中，這是生成氦-4最重要的核聚變反應(yīng)。

此外，作為補(bǔ)充，第四種途徑是，理論上氦-3可以直接與質(zhì)子融合，直接生成氦-4和正電子（及中微子）。這一途徑在太陽(yáng)中極為罕見，所產(chǎn)生的氦-4核不到百萬(wàn)分之一，但在質(zhì)量最大的O型恒星中，這一過程可能占據(jù)主導(dǎo)地位！

總結(jié)

綜上所述，在太陽(yáng)中占主導(dǎo)地位的核反應(yīng)，每一個(gè)反應(yīng)的最終產(chǎn)物是：

兩個(gè)質(zhì)子結(jié)合產(chǎn)生氘（約占40%），

氘與質(zhì)子聚變產(chǎn)生氦-3（約40%），

氦-3原子核聚變產(chǎn)生氦-4（約17%），

氦-3與氦-4聚變生成鈹-7，鈹-7與質(zhì)子聚變生成兩個(gè)氦-4原子核（約3%）。

因此，你會(huì)驚訝地發(fā)現(xiàn)，在太陽(yáng)的核反應(yīng)中，氫聚變生成氦的比例不到一半，而自由中子在任何時(shí)候都不會(huì)參與其中！所以，作為科學(xué)愛好者，我們不能簡(jiǎn)單地說一句氫聚變就了事，這顯得不專業(yè)！

這就是太陽(yáng)能量來(lái)源的核物理原理，以及在該過程中發(fā)生的各種反應(yīng)！