核聚变是指轻原子核碰撞融合成重原子核的过程，聚变过程通常是在超高温条件下的大规模能量释放过程。图1显示的就是最典型的聚变反应——氘氚聚变的过程。氘和氚分别是氢的同位素，又分别被称作重氢和超重氢，其中氘广泛存在于海洋中，储量很高，而氚由于具有放射性，在自然界中存在极少，一般靠核反应制备。氘氚聚变在目前已知的各种聚变反应中是实现条件最简单的聚变反应，因此是可控核聚变研究的主流反应。

图1：氘氚聚变生成氦原子核与中子的过程（图片出处：维基百科）

人类早在20世纪初就发现了聚变反应存在的证据。我们现在知道太阳的能量来源就是聚变反应，英国天文学家亚瑟爱丁顿在1920年第一次提出了太阳的能源是源于核聚变的猜测，但是科学家们并不太认可这一说法，因为根据经典物理理论对聚变反应发生条件的解释，微观粒子的速度必须能够克服带电粒子之间的库伦斥力的作用以达到碰撞距离，即微观粒子的动能（即温度）必须大于碰撞距离下粒子之间的库伦势能，由此推算出来的粒子温度需要达到百亿度的量级，而当时已知太阳的表面温度只有5000度左右，太阳内部核心处最高温度也只有千万度的量级，因此科学家们认为太阳的温度是不足以引发核聚变反应的。

20世纪初也是量子力学大发展的时期。1928年，核物理学家乔治·伽莫夫利用量子隧穿效应解释了阿尔法衰变的现象，让人们意识到了经典力学在解释微观核反应时存在的问题。阿尔法衰变现象是一种放射性衰变，发生阿尔法衰变时，一颗阿尔法粒子会从原子核中射出。计算表明，阿尔法粒子的动能远小于阿尔法粒子与子核之间的库仑势垒，即根据经典力学的解释，由于库仑势垒的阻挡，根本不可能发生阿尔法衰变。而根据量子力学的隧道效应，阿尔法粒子有一定的几率穿透势垒跑出原子核，且阿尔法粒子的能量越大，穿透势垒的几率就越大，衰变几率就越大，从而半衰期就越短。图2显示了经典物理和量子力学对粒子穿透势垒现象的差异性描述。量子隧穿效应对阿尔法衰变现象的解释也让人们看到了经典物理对于聚变反应条件的估计时存在问题的。

图2：经典物理和量子力学视角下的粒子穿透势垒过程 （图片出处：cosmosmagazine）

随着中子的发现以及原子核内部结构的解析，通过光谱分析得出了太阳上富含哪些元素，以及核聚变、核裂变理论的创立等持续性工作，直到1938年，美国天文学家汉斯·贝特才从理论上确定了太阳的能量来自于核聚变，并从数学上计算了反应的步骤，包括质子﹣质子链反应和碳氮循环反应等，至此，人类才真正确定了恒星的能量来自于哪里。为了表彰汉斯·贝特的贡献，1967年的诺贝尔物理学奖颁给了他。

图3：恒星的质子﹣质子链反应和碳氮循环反应（图片出处：science learning hub）

供稿：齐士博博士