1、第十章 太阳内部的核反应,太阳的发光机制太阳内部的热核反应,太阳的形成在宇宙的原始气体云中,银河系诞生了。同时银河系中的第一代古老的恒星诞生了。那些恒星经过漫长的过程后,在各自的大爆发中死去,它们抛出大量烧剩下来的气体,这些气体在冰冷的星际空间里游荡,一团团汇聚成一大团,其中的组成物质主要是氢和氦,还有其他的各种元素。由于万有引力的作用,大团气体开始凝缩成各个高密团块。各个团块的凝聚速度各不相同,每个团块的体积非常之大。随着时间的推移,有的团块的近中央的部分开始加速凝聚,并产生旋转.由于气体的压缩,中间部分的温度上升，其中一个团块的中间部分的温度上升到了700万度到1000万度以上,终于爆发了
2、热核反应。一颗新的恒星诞生了,它就是太阳,诞生的时间大约在50亿年前。空间中的剩余气体,一部分继续落入太阳,一部分由较重原子组成的物质,在绕太阳旋转过程中又各自凝聚成星体,它们就是九大行星、卫星及其他。,太阳分为宁静太阳和活动太阳两大类。宁静太阳是一个理论上假定宁静的球对称热气体球，其性质只随半径而变，而且在任一球层中都是均匀的，其目的在于研究太阳的总体结构和一般性质。在这种假定下，按照由里往外的顺序，太阳是由核心、辐射区、对流层、光球层、色球层、日冕层构成。光球层之下称为太阳内部；光球层之上称为太阳大气。,太阳内部结构可以分三层：太阳中心为热核反应区；核心之外是辐射层；辐射区之外为对流层；对
3、流层之外是太阳大气层，太阳大气层从里向外分为 光球、色球和日冕。,从太阳中心至1/4太阳半径处，集中了太阳物质质量的一半，这里的温度高达1500万度，压强达2500亿个大气压，称此区域为核反应区，太阳所发射的能量的99%在这里产生。太阳的“内脏”太阳内部结构可以分三层：太阳中心为热核反应区；核心之外是辐射层；辐射区之外为对流层；对流层之外是太阳大气层，太阳大气层从里向外分为 光球、色球和日冕。,太阳的内部 核反应区:从中心到0.25R（R：太阳半径）是太阳发射巨大能量的真正源头，也称为核反应区。在这里，太阳核心处温度高达1500万度，压力相当于3000亿个大气压，随时都在进行着四个氢核聚变成一
4、个氦核的热核反应。根据原子核物理学和爱因斯坦的质能转换关系式E=mc2，每秒钟有质量为6亿吨的氢经过热核聚变反应为5.96亿吨的氦，并释放出相当于400万吨氢的能量，正是这巨大的能源带给了我们光和热，但这损失的质量与太阳的总质量相比，却是不值一提的。根据目前对太阳内部氢含量的估计，太阳至少还有50亿年的正常寿命。,辐射区:0.25R 0.86R是太阳辐射区，它包含了各种电磁辐射和粒子流。辐射从内部向外部传递过程是多次被物质吸收而又再次发射的过程。从核反应区到太阳表面的行程中，能量依次以X射线、远紫外线、紫外线，最后是可见光的形式向外辐射。太阳是一个取之难尽，用之不竭的能量源泉。对流层:对流层是
5、辐射区的外侧区域，其厚度约有十几万千米，由于这里的温度、压力和密度梯度都很大，太阳气体呈对流的不稳定状态。使物质的径向对流运动强烈，热的物质向外运动，冷的物质沉入内部，太阳内部能量就是靠物质的这种对流，由内部向外部传输。,太阳的大气光球层:对流层上面的太阳大气，就是我们平时所见的太阳圆盘，称为太阳光球。光球是一层不透明的气体薄层，厚度约500千米。它确定了太阳非常清晰的边界，几乎所有的可见光都是从这一层发射出来的。光球层上最显著的现象就是太阳黑子，所谓太阳黑子，其实只是太阳光球层上的温度相对较低的区域，其温度约为4500K，而光球其余部分的温度约为5800K。这些温度较低的区域在明亮的光球反衬
6、下，就显得很黑。,使用光谱仪来观测太阳，可以看到太阳光展现成了一条彩色的光谱带，上面还叠加了许多暗线，这些暗线被称为“夫琅和费谱线”。研究表明，这些谱线其实是由各种化学元素造成的。通过对这些谱线的分析，得知太阳光球中存在着90多种化学元素。太阳光谱不仅可以研究太阳大气的化学成分，还可以研究太阳的自转速度、太阳的磁场、太阳活动机制等。,色球层:色球位于光球之上。厚度约2000千米。太阳的温度分布从核心向外直到光球层，都是逐渐下降的，但到了色球层，却又反常上升，到色球顶部时已达几万度。由于色球层发出的可见光总量不及光球的1%，因此人们平常看不到它。只有在发生日全食时，即食既之前几秒种或者生光以后几
7、秒钟，当光球所发射的明亮光线被月影完全遮掩的短暂时间内，在日面边缘呈现出狭窄的玫瑰红色的发光圈层，这就是色球层。平时，科学家们要通过单色光（波长为6563埃）色球望远镜才能观测到太阳色球层。,日冕:是太阳大气的最外层，它由高温、低密度的等离子体所组成。亮度微弱，在白光中的总亮度比太阳圆面亮度的百分之一还低，约相当于满月的亮度，因此只有在日全食时才能展现其光彩，平时观测则要使用专门的日冕仪。日冕的温度高达百万度，其大小和形状与太阳活动有关，在太阳活动极大年时，日冕接近圆形；在太阳宁静年则呈椭圆形。自古以来，观测日冕的传统方法都是等待一次罕见的日全食在黑暗的天空背景上，月面把明亮的太阳光球面遮掩住
8、，而在日面周围呈现出青白色的光区，就是人们期待观测的太阳最外层大气日冕。,太阳质量的大约四分之三是氢，剩下的几乎都是氦，原子核质量很小，在超高温下结合成新的原子核，释放出巨大的核能，这就是核聚变。太阳内部核反应原理：氢聚变为氦（热核反应）。太阳内部每时每刻都在发生核聚变，太阳发出的光在真空中的传播速度是3108 m/s。,核聚变（热核反应）1核聚变是产生核能的另一种方式。核聚变是较轻的原子核结合成为较重的原子核的一种反应。2如氘核和氚核结合成为氦核的聚变过程。这种核反应也伴随着释放巨大的能量。3利用核聚变反应也能制造核武器。氢弹就是利用核聚变原理制造的一种威力比原子弹还要大的核武器。4.太阳内
9、部持续不断地发生着四个质子聚变为一个氦核的热核反应，这个核反应释放出的大量能量就是太阳能的来源.,自古以来,太阳为何会发光发热,一直是人们关注的问题.曾有人认为,太阳是依靠燃烧煤来发光发热的,但经过计算,如果太阳是一个大煤球,按照太阳的总辐射能量3.75x1026 J,只够太阳发光发热1500年。后又有人提出,太阳是依靠物质向内部“掉落”,即重力势能转变为动能,再转变为热能来发光发热的,但这样一来,太阳就必须因为不断的收缩而越来越小,但没有观察到这一现象，且即使这样,也只能维持太阳以观测到的能量辐射一千多万年。,上世纪20年代末,随着元素放射性的发现,英国物理学家亚瑟爱丁顿提出,太阳的能量只能
10、来源于氢的核聚变反应,并在30年代出版的恒星的结构一书中详细论述.但经过计算,要使氢发生核聚变反应,太阳中心的温度必须达到上亿度才行,而太阳中心的温度只有约1500万度,不足以引发氢的核聚变反应。上世纪40年代,来自前苏联的美国物理学家乔治伽莫夫应用德国物理学家维尔纳海森堡的量子物理不确定性原理（也称测不准原理）,解释了原子核的放射性。美国物理学家富勒认为,这个解释也可以反过来用。于是,他把伽莫夫的理论应用于太阳能量的产生,终于计算出,在太阳内部,氢的核聚变反应能够在1500万度的温度下发生。,现在我们知道,包括太阳在内的所有恒星,都是借助于量子物理学原理,时刻发生着各种核聚变反应,并借此发光
11、发热的。根据爱因斯坦的质能公式Emc2计算,每“燃烧”1千克氢,就能放出6.41014 J的能量,相当于燃烧19000吨煤所产生的能量.按照太阳目前的总辐射量计算,每秒钟有6亿多吨的氢被转化成氦.这听起来很多,但其实只是太阳质量的很小一部分。太阳质量若取整数,大约是21033克,或21027 吨.太阳每秒把6108 吨的氢转变成氦,每年“烧”掉不到21016 吨的燃料。按照这样的消耗速度,100亿年也只用掉21026 吨的氢,只有太阳总质量的10%。太阳在50亿年的漫长时间中,只消耗了不到5%的质量。太阳上,氢元素占元素总量的70%,氦占28%,其它元素只占2%。对于一颗恒星来说,虽然氢所占的
12、量下降20%,该恒星就会显露出“老态”,而按照目前太阳因核聚变反应速率计算,太阳足可以稳定地“燃烧”上3.321017秒,约1010,即100亿年,因此说太阳现在刚到“中年”，它还可以稳定“燃烧”50亿年以上。,那么,氢的核聚变反应过程究竟是怎样的呢?氢核聚变反应是“质子质子链式反应（或称为PP反应）”.其过程如下：,各步反应为：1H+1H 2H+e+e2H+1H 3He+3He+3He 4He+1H+1H通过一个反应链,4个质子组合成了1个氦原子核,产生了2个光子、两个中子和两个中微子，能量由此产生。这些核聚变反应在太阳上时刻都在发生,向外放出的能量与向内的引力相平衡，所以太阳才是稳定的。而
13、反应所发射出的光子,就是我们看到的太阳光了。,太阳中的核聚变之所以不会像氢弹爆炸那样一瞬间完成，主要有以下几个原因：1、氢弹的聚变是氘（氢的同位素）聚变为氦，而太阳上的聚变是氢聚变为氦，所以反应条件和过程是不一样的。氢弹之所以不用氢而用稀少得多的氘，是因为氢的聚变要难得多。2、太阳内部的聚变过程相当复杂，主要有氢氢聚变和碳氮氧循环两种类型，（1）在氢氢聚变过程中，两个氢先聚变为氘，然后一个氢加一个氘聚变为氦3，最后两个氦3聚变为一个氦4同时放出两个氢核；（2）在碳氮氧循环中，氢与碳12聚变为氮13，氮13衰变为碳13，碳13与氢聚变为氮14，氮14与氢聚变为氧15，氧15衰变为氮15，氮15与
14、氢聚变为氦4和碳12，此过程中碳12数量不变，最终形成氦4。,天文学家认为星际介质在某些条件下会形成恒星，然后进入称为主序星的稳定期太阳目前正处于主序星演化阶段，它主要由正、负电子和质子、氦的原子核组成。维持太阳辐射的是它内部的核聚变反应，其反应是四个质子聚变为一个氦原子核和两个正电子并释放出大量的能量，这些释放出的核能最后转化为辐射能，并同时以每秒4.2109 kg向外抛出大量物质。在演化末期，太阳将离开主序星阶段膨胀而转化为红巨星的演化阶段，最终塌陷为密度很大的白矮星。,太阳内部持续不断地发生着4个质子聚变为1个氦核的热核反应，这个核反应释放出的大量能量就是太阳的能源.,1)核反应方程；并计算这一核反应能释放多少能量？(2)已知太阳每秒释放的能量为3.81026 J，则太阳每秒减少的质量为多少？(3)若太阳质量减少万分之三，热核反应不能继续进行，计算太阳能存在多少年.(太阳质量M21030 kg,mp1.007 3 u,mHe4.001 5 u,me0.000 55 u,1u=931.5Mev),
