太陽(yáng)能核反應(yīng)

第十章太陽(yáng)內(nèi)部的核反響太陽(yáng)的發(fā)光機(jī)制太陽(yáng)內(nèi)部的熱核反響第一頁(yè)，共20頁(yè)。太陽(yáng)的形成

在宇宙的原始?xì)怏w云中,銀河系誕生了。同時(shí)銀河系中的第一代古老的恒星誕生了。那些恒星經(jīng)過(guò)漫長(zhǎng)的過(guò)程后,在各自的大爆發(fā)中死去,它們拋出大量燒剩下來(lái)的氣體,這些氣體在冰冷的星際空間里游蕩,一團(tuán)團(tuán)會(huì)聚成一大團(tuán),其中的組成物質(zhì)主要是氫和氦,還有其他的各種元素。由于萬(wàn)有引力的作用,大團(tuán)氣體開(kāi)場(chǎng)凝縮成各個(gè)高密團(tuán)塊。各個(gè)團(tuán)塊的凝聚速度各不一樣,每個(gè)團(tuán)塊的體積非常之大。隨著時(shí)間的推移,有的團(tuán)塊的近中央的部分開(kāi)場(chǎng)加速凝聚,并產(chǎn)生旋轉(zhuǎn).由于氣體的壓縮,中間部分的溫度上升，其中一個(gè)團(tuán)塊的中間部分的溫度上升到了700萬(wàn)度到1000萬(wàn)度以上,終于爆發(fā)了熱核反響。一顆新的恒星誕生了,它就是太陽(yáng),誕生的時(shí)間大約在50億年前。空間中的剩余氣體,一部分繼續(xù)落入太陽(yáng),一部分由較重原子組成的物質(zhì),在繞太陽(yáng)旋轉(zhuǎn)過(guò)程中又各自凝聚成星體,它們就是九大行星、衛(wèi)星及其他。

第二頁(yè)，共20頁(yè)。太陽(yáng)分為寧?kù)o太陽(yáng)和活動(dòng)太陽(yáng)兩大類(lèi)。寧?kù)o太陽(yáng)是一個(gè)理論上假定寧?kù)o的球?qū)ΨQ(chēng)熱氣體球，其性質(zhì)只隨半徑而變，而且在任一球?qū)又卸际蔷鶆虻?，其目的在于研究太?yáng)的總體構(gòu)造和一般性質(zhì)。在這種假定下，按照由里往外的順序，太陽(yáng)是由核心、輻射區(qū)、對(duì)流層、光球?qū)印⑸驅(qū)?、日冕層?gòu)成。光球?qū)又路Q(chēng)為太陽(yáng)內(nèi)部；光球?qū)又戏Q(chēng)為太陽(yáng)大氣。

太陽(yáng)內(nèi)部構(gòu)造可以分三層：太陽(yáng)中心為熱核反響區(qū)；核心之外是輻射層；

輻射區(qū)之外為對(duì)流層；對(duì)流層之外是太陽(yáng)大氣層，太陽(yáng)大氣層從里向外分為

光球、色球和日冕。

第三頁(yè)，共20頁(yè)。從太陽(yáng)中心至1/4太陽(yáng)半徑處，集中了太陽(yáng)物質(zhì)質(zhì)量的一半，這里的溫度高達(dá)1500萬(wàn)度，壓強(qiáng)達(dá)2500億個(gè)大氣壓，稱(chēng)此區(qū)域?yàn)楹朔错憛^(qū)，太陽(yáng)所發(fā)射的能量的99%在這里產(chǎn)生。太陽(yáng)的“內(nèi)臟〞太陽(yáng)內(nèi)部構(gòu)造可以分三層：太陽(yáng)中心為熱核反響區(qū)；核心之外是輻射層；輻射區(qū)之外為對(duì)流層；對(duì)流層之外是太陽(yáng)大氣層，太陽(yáng)大氣層從里向外分為光球、色球和日冕。第四頁(yè)，共20頁(yè)。太陽(yáng)的內(nèi)部核反響區(qū):從中心到0.25R⊙〔R⊙：太陽(yáng)半徑〕是太陽(yáng)發(fā)射宏大能量的真正源頭，也稱(chēng)為核反響區(qū)。在這里，太陽(yáng)核心處溫度高達(dá)1500萬(wàn)度，壓力相當(dāng)于3000億個(gè)大氣壓，隨時(shí)都在進(jìn)展著四個(gè)氫核聚變成一個(gè)氦核的熱核反響。根據(jù)原子核物理學(xué)和愛(ài)因斯坦的質(zhì)能轉(zhuǎn)換關(guān)系式E=mc2，每秒鐘有質(zhì)量為6億噸的氫經(jīng)過(guò)熱核聚變反響為億噸的氦，并釋放出相當(dāng)于400萬(wàn)噸氫的能量，正是這宏大的能源帶給了我們光和熱，但這損失的質(zhì)量與太陽(yáng)的總質(zhì)量相比，卻是不值一提的。根據(jù)目前對(duì)太陽(yáng)內(nèi)部氫含量的估計(jì)，太陽(yáng)至少還有50億年的正常壽命。第五頁(yè)，共20頁(yè)。輻射區(qū):

⊙～0.86R⊙是太陽(yáng)輻射區(qū)，它包含了各種電磁輻射和粒子流。輻射從內(nèi)部向外部傳遞過(guò)程是屢次被物質(zhì)吸收而又再次發(fā)射的過(guò)程。從核反響區(qū)到太陽(yáng)外表的行程中，能量依次以X射線、遠(yuǎn)紫外線、紫外線，最后是可見(jiàn)光的形式向外輻射。太陽(yáng)是一個(gè)取之難盡，用之不竭的能量源泉。

對(duì)流層:

對(duì)流層是輻射區(qū)的外側(cè)區(qū)域，其厚度約有十幾萬(wàn)千米，由于這里的溫度、壓力和密度梯度都很大，太陽(yáng)氣體呈對(duì)流的不穩(wěn)定狀態(tài)。使物質(zhì)的徑向?qū)α鬟\(yùn)動(dòng)強(qiáng)烈，熱的物質(zhì)向外運(yùn)動(dòng)，冷的物質(zhì)沉入內(nèi)部，太陽(yáng)內(nèi)部能量就是靠物質(zhì)的這種對(duì)流，由內(nèi)部向外部傳輸。

第六頁(yè)，共20頁(yè)。太陽(yáng)的大氣光球?qū)?

對(duì)流層上面的太陽(yáng)大氣，就是我們平時(shí)所見(jiàn)的太陽(yáng)圓盤(pán)，稱(chēng)為太陽(yáng)光球。光球是一層不透明的氣體薄層，厚度約500千米。它確定了太陽(yáng)非常明晰的邊界，幾乎所有的可見(jiàn)光都是從這一層發(fā)射出來(lái)的。光球?qū)由献铒@著的現(xiàn)象就是太陽(yáng)黑子，所謂太陽(yáng)黑子，其實(shí)只是太陽(yáng)光球?qū)由系臏囟认鄬?duì)較低的區(qū)域，其溫度約為4500K，而光球其余部分的溫度約為5800K。這些溫度較低的區(qū)域在亮堂的光球反襯下，就顯得很黑。第七頁(yè)，共20頁(yè)。使用光譜儀來(lái)觀測(cè)太陽(yáng)，可以看到太陽(yáng)光展現(xiàn)成了一條彩色的光譜帶，上面還疊加了許多暗線，這些暗線被稱(chēng)為“夫瑯和費(fèi)譜線〞。研究說(shuō)明，這些譜線其實(shí)是由各種化學(xué)元素造成的。通過(guò)對(duì)這些譜線的分析，得知太陽(yáng)光球中存在著90多種化學(xué)元素。太陽(yáng)光譜不僅可以研究太陽(yáng)大氣的化學(xué)成分，還可以研究太陽(yáng)的自轉(zhuǎn)速度、太陽(yáng)的磁場(chǎng)、太陽(yáng)活動(dòng)機(jī)制等。第八頁(yè)，共20頁(yè)。色球?qū)?色球位于光球之上。厚度約2000千米。太陽(yáng)的溫度分布從核心向外直到光球?qū)?，都是逐漸下降的，但到了色球?qū)?，卻又反常上升，到色球頂部時(shí)已達(dá)幾萬(wàn)度。由于色球?qū)影l(fā)出的可見(jiàn)光總量不及光球的1%，因此人們平?？床坏剿?。只有在發(fā)生日全食時(shí)，即食既之前幾秒種或者生光以后幾秒鐘，當(dāng)光球所發(fā)射的亮堂光線被月影完全遮掩的短暫時(shí)間內(nèi)，在日面邊緣呈現(xiàn)出狹窄的玫瑰紅色的發(fā)光圈層，這就是色球?qū)?。平時(shí)，科學(xué)家們要通過(guò)單色光〔波長(zhǎng)為6563?！成蛲h(yuǎn)鏡才能觀測(cè)到太陽(yáng)色球?qū)?。日?是太陽(yáng)大氣的最外層，它由高溫、低密度的等離子體所組成。亮度微弱，在白光中的總亮度比太陽(yáng)圓面亮度的百分之一還低，約相當(dāng)于滿(mǎn)月的亮度，因此只有在日全食時(shí)才能展現(xiàn)其榮耀，平時(shí)觀測(cè)那么要使用專(zhuān)門(mén)的日冕儀。日冕的溫度高達(dá)百萬(wàn)度，其大小和形狀與太陽(yáng)活動(dòng)有關(guān)，在太陽(yáng)活動(dòng)極大年時(shí)，日冕接近圓形；在太陽(yáng)寧?kù)o年那么呈橢圓形。自古以來(lái)，觀測(cè)日冕的傳統(tǒng)方法都是等待一次罕見(jiàn)的日全食——在黑暗的天空背景上，月面把亮堂的太陽(yáng)光球面遮掩住，而在日面周?chē)尸F(xiàn)出青白色的光區(qū)，就是人們期待觀測(cè)的太陽(yáng)最外層大氣——日冕。第九頁(yè)，共20頁(yè)。太陽(yáng)質(zhì)量的大約四分之三是氫，剩下的幾乎都是氦，原子核質(zhì)量很小，在超高溫下結(jié)合成新的原子核，釋放出宏大的核能，這就是核聚變。太陽(yáng)內(nèi)部核反響原理：氫聚變?yōu)楹ぁ矡岷朔错憽?。太?yáng)內(nèi)部每時(shí)每刻都在發(fā)生核聚變，太陽(yáng)發(fā)出的光在真空中的傳播速度是3×108m/s。第十頁(yè)，共20頁(yè)。核聚變〔熱核反響〕1．核聚變是產(chǎn)生核能的另一種方式。核聚變是較輕的原子核結(jié)合成為較重的原子核的一種反響。2．如氘核和氚核結(jié)合成為氦核的聚變過(guò)程。這種核反響也伴隨著釋放宏大的能量。3．利用核聚變反響也能制造核武器。氫彈就是利用核聚變?cè)碇圃斓囊环N威力比原子彈還要大的核武器。4.太陽(yáng)內(nèi)部持續(xù)不斷地發(fā)生著四個(gè)質(zhì)子聚變?yōu)橐粋€(gè)氦核的熱核反響，這個(gè)核反響釋放出的大量能量就是太陽(yáng)能的來(lái)源.第十一頁(yè)，共20頁(yè)。自古以來(lái),太陽(yáng)為何會(huì)發(fā)光發(fā)熱,一直是人們關(guān)注的問(wèn)題.曾有人認(rèn)為,太陽(yáng)是依靠燃燒煤來(lái)發(fā)光發(fā)熱的,但經(jīng)過(guò)計(jì)算,假如太陽(yáng)是一個(gè)大煤球,按照太陽(yáng)的總輻射能量26J,只夠太陽(yáng)發(fā)光發(fā)熱1500年。后又有人提出,太陽(yáng)是依靠物質(zhì)向內(nèi)部“掉落〞,即重力勢(shì)能轉(zhuǎn)變?yōu)閯?dòng)能,再轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮軄?lái)發(fā)光發(fā)熱的,但這樣一來(lái),太陽(yáng)就必須因?yàn)椴粩嗟氖湛s而越來(lái)越小,但沒(méi)有觀察到這一現(xiàn)象，且即使這樣,也只能維持太陽(yáng)以觀測(cè)到的能量輻射一千多萬(wàn)年。第十二頁(yè)，共20頁(yè)。上世紀(jì)20年代末,隨著元素放射性的發(fā)現(xiàn),英國(guó)物理學(xué)家亞瑟·愛(ài)丁頓提出,太陽(yáng)的能量只能來(lái)源于氫的核聚變反響,并在30年代出版的?恒星的構(gòu)造?一書(shū)中詳細(xì)闡述.但經(jīng)過(guò)計(jì)算,要使氫發(fā)生核聚變反響,太陽(yáng)中心的溫度必須到達(dá)上億度才行,而太陽(yáng)中心的溫度只有約1500萬(wàn)度,缺乏以引發(fā)氫的核聚變反響。上世紀(jì)40年代,來(lái)自前蘇聯(lián)的美國(guó)物理學(xué)家喬治·伽莫夫應(yīng)用德國(guó)物理學(xué)家維爾納·海森堡的量子物理不確定性原理〔也稱(chēng)測(cè)不準(zhǔn)原理〕,解釋了原子核的放射性。美國(guó)物理學(xué)家富勒認(rèn)為,這個(gè)解釋也可以反過(guò)來(lái)用。于是,他把伽莫夫的理論應(yīng)用于太陽(yáng)能量的產(chǎn)生,終于計(jì)算出,在太陽(yáng)內(nèi)部,氫的核聚變反響可以在1500萬(wàn)度的溫度下發(fā)生。第十三頁(yè)，共20頁(yè)。如今我們知道,包括太陽(yáng)在內(nèi)的所有恒星,都是借助于量子物理學(xué)原理,時(shí)刻發(fā)生著各種核聚變反響,并借此發(fā)光發(fā)熱的。根據(jù)愛(ài)因斯坦的質(zhì)能公式E＝mc2計(jì)算,每“燃燒〞1千克氫,就能放出6.4×1014J的能量,相當(dāng)于燃燒19000噸煤所產(chǎn)生的能量.按照太陽(yáng)目前的總輻射量計(jì)算,每秒鐘有6億多噸的氫被轉(zhuǎn)化成氦.這聽(tīng)起來(lái)很多,但其實(shí)只是太陽(yáng)質(zhì)量的很小一部分。太陽(yáng)質(zhì)量假設(shè)取整數(shù),大約是2×10^33克,或2×1027噸.太陽(yáng)每秒把6×108噸的氫轉(zhuǎn)變成氦,每年“燒〞掉不到2×1016噸的燃料。按照這樣的消耗速度,100億年也只用掉2×1026噸的氫,只有太陽(yáng)總質(zhì)量的10%。太陽(yáng)在50億年的漫長(zhǎng)時(shí)間中,只消耗了不到5%的質(zhì)量。太陽(yáng)上,氫元素占元素總量的70%,氦占28%,其它元素只占2%。對(duì)于一顆恒星來(lái)說(shuō),雖然氫所占的量下降20%,該恒星就會(huì)顯露出“老態(tài)〞,而按照目前太陽(yáng)因核聚變反響速率計(jì)算,太陽(yáng)足可以穩(wěn)定地“燃燒〞上3.32×1017秒,約1010,即100億年,因此說(shuō)太陽(yáng)如今剛到“中年〞，它還可以穩(wěn)定“燃燒〞50億年以上。第十四頁(yè)，共20頁(yè)。那么,氫的核聚變反響過(guò)程終究是怎樣的呢?氫核聚變反響是“質(zhì)子－質(zhì)子鏈?zhǔn)椒错憽不蚍Q(chēng)為P－P反響〕〞.其過(guò)程如下：

第十五頁(yè)，共20頁(yè)。各步反響為：1H+1H→2H+e++νe2H+1H→3He+γ3He+3He→4He+1H+1H通過(guò)一個(gè)反響鏈,4個(gè)質(zhì)子組合成了1個(gè)氦原子核,產(chǎn)生了2個(gè)γ光子、兩個(gè)中子和兩個(gè)中微子，能量由此產(chǎn)生。這些核聚變反響在太陽(yáng)上時(shí)刻都在發(fā)生,向外放出的能量與向內(nèi)的引力相平衡，所以太陽(yáng)才是穩(wěn)定的。而反響所發(fā)射出的光子,就是我們看到的太陽(yáng)光了。第十六頁(yè)，共20頁(yè)。太陽(yáng)中的核聚變之所以不會(huì)像氫彈爆炸那樣一瞬間完成，主要有以下幾個(gè)原因：1、氫彈的聚變是氘〔氫的同位素〕聚變?yōu)楹ぃ?yáng)上的聚變是氫聚變?yōu)楹?，所以反響條件和過(guò)程是不一樣的。氫彈之所以不用氫而用稀少得多的氘，是因?yàn)闅涞木圩円y得多。2、太陽(yáng)內(nèi)部的聚變過(guò)程相當(dāng)復(fù)雜，主要有氫－氫聚變和碳氮氧循環(huán)兩種類(lèi)型，〔1〕在氫－氫聚變過(guò)程中，兩個(gè)氫先聚變?yōu)殡缓笠粋€(gè)氫加一個(gè)氘聚變?yōu)楹?，最后兩個(gè)氦3聚變?yōu)橐粋€(gè)氦4同時(shí)放出兩個(gè)氫核；〔2〕在碳氮氧循環(huán)中，氫與碳12聚變?yōu)榈?3，氮13衰變?yōu)樘?3，碳13與氫聚變?yōu)榈?4，氮14與氫聚變?yōu)檠?5，氧15衰變?yōu)榈?5，氮15與氫聚變?yōu)楹?和碳12，此過(guò)程中碳12數(shù)量不變，最終形成氦4。第十七頁(yè)，共20頁(yè)。天文學(xué)家認(rèn)為星際介質(zhì)在某些條件下會(huì)形成恒星，然后進(jìn)入稱(chēng)為主序星的穩(wěn)定期．太陽(yáng)目前正處于主序星演化階段，它主要由正、負(fù)電子和質(zhì)子、氦的原子核組成。維持太陽(yáng)輻射的是它內(nèi)部的核聚變反響，其反響是四個(gè)質(zhì)子聚變?yōu)橐粋€(gè)氦原子核和兩個(gè)正電子并釋放出大量的能量，這些釋放出的核能最后轉(zhuǎn)化為輻射能，并同時(shí)以每秒4.2×109kg向外拋出大量物質(zhì)。在演化末期，太陽(yáng)將分開(kāi)主序星階段膨脹而轉(zhuǎn)化為紅巨星的演化階段，最終塌陷為密度很大的白矮星。第十八頁(yè)，共20頁(yè)。太陽(yáng)內(nèi)部持續(xù)不斷地發(fā)生著4個(gè)質(zhì)子聚變?yōu)?