知識(shí)點(diǎn)I:太陽產(chǎn)能機(jī)制的猜測(cè)
自古以來人們都在試圖解釋太陽能量的來源。太陽輻射的總功率為3.845×10^26瓦，地球收到的能量?jī)H為其中的22億分之一。如果太陽是由煤炭組成的，那么它只需要5000年就會(huì)全部燒完；如果太陽能源來自流星體的撞擊，那么每年至少需要1%地球質(zhì)量的流星體掉落太陽，而且?guī)兹f年中太陽質(zhì)量就會(huì)明顯增加；如果按照理想氣體模型，太陽的壽命只有1000萬年，這些都不符合實(shí)際情況。
1926年愛丁頓出版《恒星內(nèi)部結(jié)構(gòu)》一書，預(yù)測(cè)恒星的能源來自內(nèi)部的原子核聚變反應(yīng)，或稱熱核反應(yīng)。不過當(dāng)時(shí)物理學(xué)家普遍認(rèn)為原子核反應(yīng)所需溫度高達(dá)數(shù)百億度，這是不可能發(fā)生的。
知識(shí)點(diǎn)II：隧穿效應(yīng)與核聚變
在熾熱的恒星內(nèi)部，原子核外電子脫離了原子核的束縛而自由移動(dòng)，成為等離子體態(tài)。沒有電子的氫原子核就是一個(gè)質(zhì)子，質(zhì)子受到強(qiáng)相互作用力的影響，所以又叫強(qiáng)子。質(zhì)子帶正電，所以質(zhì)子與另一個(gè)質(zhì)子之間受到電磁力排斥作用相互分開，很難發(fā)生碰撞。然而新量子理論揭示了基本粒子存在“隧穿效應(yīng)”，是指粒子存在一定的概率突破量子能量勢(shì)壘，就好像穿墻而過一樣。由于隧穿效應(yīng)的存在，質(zhì)子與質(zhì)子有可能突破斥力而相撞，在恒星內(nèi)部隧穿效應(yīng)的概率雖然依舊很小，但是由于氫原子核數(shù)量驚人，因而質(zhì)子與質(zhì)子碰撞發(fā)生反應(yīng)的次數(shù)可能足夠多。如此一來，恒星內(nèi)部核聚變反應(yīng)所需溫度的問題，只要幾千萬度。1938年美國(guó)物理學(xué)家貝特和德國(guó)物理學(xué)家魏茨澤克分別提出恒星內(nèi)部存在著兩種氫核聚變?yōu)楹ず说姆磻?yīng)，一種叫質(zhì)子-質(zhì)子反應(yīng)，另一種叫碳-氮-氧循環(huán)反應(yīng)。
電子隧穿現(xiàn)象
知識(shí)點(diǎn)III：質(zhì)子-質(zhì)子反應(yīng)
恒星內(nèi)部溫度高達(dá)1000萬開時(shí)，主要發(fā)生的是質(zhì)子-質(zhì)子反應(yīng)，太陽的主要的產(chǎn)能機(jī)制是質(zhì)子-質(zhì)子反應(yīng)。
①兩個(gè)氫原子核相碰，其中一個(gè)質(zhì)子放出1個(gè)正電子和1個(gè)中微子而變成中子，與另一個(gè)質(zhì)子結(jié)合成為氘核。
②氘核與第三個(gè)氫原子核相撞，聚合為一個(gè)氦3核（2個(gè)質(zhì)子+1個(gè)中子組成），同時(shí)放出1個(gè)光子。
③兩個(gè)氦3核相撞聚合成一個(gè)氦4核（2個(gè)質(zhì)子+2個(gè)中子），釋放出1個(gè)光子和2個(gè)質(zhì)子（即氫原子核）。
這一反應(yīng)過程總共投入6個(gè)H核，最終產(chǎn)出了1個(gè)4He核，歸還2個(gè)H核，同時(shí)放出了2個(gè)正電子e+、2個(gè)中微子υe和3個(gè)光子e，這就是太陽帶給我們的能量。每1g氫聚變產(chǎn)生6.21×10^11J能量，可以將大約1500噸水從0℃加熱至100℃。
質(zhì)子-質(zhì)子反應(yīng)示意圖
知識(shí)點(diǎn)IV：碳-氮-氧循環(huán)反應(yīng)
當(dāng)溫度達(dá)到1400萬開時(shí)，少量氦原子核也參與聚合反應(yīng)，產(chǎn)生了碳原子核，碳-氮-氧循環(huán)（簡(jiǎn)稱為碳循環(huán)反應(yīng)）就開始了。
①1個(gè)氫核與1個(gè)碳12核聚合成1個(gè)氮13核，放出1個(gè)光子；
②氮核分解為1個(gè)碳13核、1個(gè)正電子1個(gè)中微子；
③碳13核與1個(gè)氫核聚合成為一個(gè)氮14核，放出1個(gè)光子；
④氮14核與氫原子核聚合成為氧15核，放出1個(gè)光子；
⑤氧15核分解成為氮15核和1個(gè)正電子、1個(gè)中微子；
⑥氮15核再與1個(gè)氫原子核聚合生成1個(gè)碳12核和一個(gè)氦4核。
該反應(yīng)投入的是氫和碳，最后的產(chǎn)物是碳和氦，碳就好比是催化劑，沒有損失，而氮和氧都是中間環(huán)節(jié)?？傮w上投入的是4個(gè)氫，產(chǎn)出的是1個(gè)氦、2個(gè)正電子和2個(gè)中微子和3個(gè)光子。
碳氮氧循環(huán)
知識(shí)點(diǎn)V：日核（核反應(yīng)區(qū)）
太陽的中心部分稱為日核，半徑大約為0.2-0.25個(gè)太陽，只占整個(gè)太陽體積的1.6%。太陽大部分質(zhì)量都其中在核心，是一個(gè)高溫高壓的狀態(tài)，溫度是1570萬開，密度是150-160g/cm3。由于是太陽產(chǎn)能區(qū)，所以日核也被叫做核反應(yīng)區(qū)。日核區(qū)每秒鐘發(fā)生9.2×10^37次氫氦聚變反應(yīng)，產(chǎn)生3.845×10^26J的巨大能量，超過人類當(dāng)前能耗水平的100萬倍！
知識(shí)點(diǎn)VI：輻射區(qū)
日核外，從0.25個(gè)太陽半徑到0.8個(gè)太陽半徑為輻射區(qū)，溫度從700萬開迅速下降到70萬開，與核反應(yīng)區(qū)相比密度下降了7-8倍，而在整個(gè)輻射區(qū)中，密度又從約20g/cm3下降到了0.2g/cm3。核反應(yīng)區(qū)產(chǎn)生的能量以X射線和γ射線的形式向外傳遞，這里的物質(zhì)會(huì)吸收輻射再發(fā)出輻射，光子平均需要17萬年的時(shí)間才能穿越輻射區(qū)。由于溫度垂直遞減率小于所謂的干絕熱遞減率，這也決定了此處熱傳遞的方式主要是輻射而不是對(duì)流。
知識(shí)點(diǎn)VII：對(duì)流區(qū)
輻射區(qū)的外面是對(duì)流區(qū)，厚度大約是0.2-0.28個(gè)太陽半徑直到接近表面，這一區(qū)域中太陽大氣呈現(xiàn)上下對(duì)流的狀態(tài)，產(chǎn)生非常復(fù)雜的湍流現(xiàn)象。太陽等離子體的密度不夠大，溫度也不夠高，所以很難通過熱輻射來傳遞。來自輻射區(qū)的熱量加熱了位于對(duì)流區(qū)底部的物質(zhì)，物質(zhì)膨脹上升，到了頂部呈現(xiàn)出一個(gè)個(gè)細(xì)胞狀的泡泡，將熱量帶給光球?qū)?，?jīng)過擴(kuò)散和冷卻后，物質(zhì)密度又會(huì)增加，下沉到對(duì)流區(qū)的底部，再次從輻射區(qū)頂部吸收熱量，這就是對(duì)流的形式。經(jīng)過輻射區(qū)后，光子能量已經(jīng)下降許多，99.9%的能量降為0.2-10微米波段，包含全部可見光和少量紅外線和紫外線。最終，光子來到太陽表面，厚度僅約500km，溫度為5700開，密度只有0.2g/cm3的光球?qū)?。我們?nèi)庋劭梢姷奶枅A面就是光球?qū)印?/p>
太陽結(jié)構(gòu)示意圖
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