太阳辐射的能量来源

太阳辐射的能量来源
太阳辐射的能量来源

太阳辐射的能量来源

太阳是一颗典型的恒星,它每秒向宇宙空间发出.

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3.75x10^26J,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.下图是其“火山口模型”简图.

在原子核尺度上（这一尺度大约是10^-13厘米）,所有粒子都要受到强相互作用力这一短程力的作用,无法离开原子核,就像是落入了火山口的内部.而在原子核尺度以外,强相互作用力迅速减小,粒子主要受电磁力这一长程力的作用.一个粒子,若要从“火山口”中离开,就必须具有足够的能量克服把核内粒子束缚在一起的强相互作用力.而在稳定的原子核内部,没有哪个粒子能够具有这一能量,但依据测不准原理,在不稳定原子核中,粒子可以从周围的其它粒子那里暂时“借”到一定的能量,达到“爬上火山顶部”所需的能量,从而离开原子核.就好像是在火山内部打了一条隧道一样,粒子可以通过这条隧道直接离开,而不用“费力去翻山”.这一量子效应被称为“隧道效应”或量子隧穿效应.

美国物理学家富勒认为,隧道效应也可以反过来用,即既然原子核内的粒子可以借助于“隧道”而脱离原子核,那么原子核外面的粒子,也可以借助于“隧道”而进入原子核.于是,他把隧道效应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“隧道效应”,时刻发生着各种核聚变反应,并借此发光发热的. 

根据爱因斯坦的质能公式E＝mc^2计算,每“燃烧”1千克氢,就能放出6.4×10^14焦耳的能量,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2×10^33克,或2×10^27吨.太阳每秒把6×10^8吨的氢转变成氦,每年“烧”掉不到2×10^16吨的燃料.按照这样的消耗速度,100亿年也只用掉2×10^26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3.32×1017秒,约10^10年,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?

在恒星内部,发生着两类氢核聚变反应.一类是“碳氮氧循环（或称CNO循环）”,其过程如下：

解释一下.首先是C12（碳元素最稳定的同位素）接受一个质子（氢原子核）,变成N13.N13不稳定,放出一个正电子和一个电子型中微子,衰变为C13.C13接受一个质子,放出一个γ光子,变成N14.N14再接受一个质子,放出一个γ光子,变成O15.O15不稳定,放出一个正电子和一个电子型中微子,衰变为N15.当N15再接受第四个质子时,生成的新元素不是O16,而是分裂为两个部分,一部分是有两个质子、两个中子的氦核,另一部分是原先的C12原子核,开始另一次循环.在这一类反应中,并不要求所有参与元素同时存在.只要有其中一种元素存在,新的、其他的元素就可以通过核反应产生出来,并完成整个循环.

总的效果是：通过一个循环,四个质子组合成了一个氦原子核,产生了三个γ光子、两个正电子和两个电子型中微子.两个正电子与电子发生湮灭,再产生新的γ光子.能量由此产生.

另一类氢核聚变反应是“质子－质子链式反应（或称为P－P反应）”.其过程如下：

解释一下.以下各步反应为：

¹H + ¹H → ²H + e⁺ + ν_e

²H + ¹H → ³He + γ

³He +³He → ⁴He + ¹H + ¹H

其他还有几个分支反应,涉及到锂、铍、硼等,就不再细说了.

按照美国物理学家贝特的计算,以上两类核反应都可以在恒星内部所具备的温度和压强条件下发生.但在太阳上,主要是发生第二类核反应,即P－P链式反应.它所需要的反应温度是1500万度.而CNO循环则需要更高的温度,大约是2000万度.

目前,科学家们已经把恒星中从氢开始,聚变到铁的所有元素的产生机理都了解清楚了.而元素周期表上,铁以后的元素就不是依靠正常恒星的元素的核聚变反应生成的,而是在大质量恒星演化后期的超新星爆发中生成的.这是另一个故事了.

最新的宇宙循环平衡理论认为：太阳光来自太阳上氢原子的核 裂变反应。太阳的核裂变反应把氢原子裂变成光子， 把氢原子的质量转化成了能量。核聚变是 在氢原子发生核裂变产生高温下引发其它的氢原子在高温高压下发生核 聚变反应，聚变成氦 原子，聚变和 裂变是可逆反应，核裂变才能放出能量，核聚变是吸能反应。...

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最新的宇宙循环平衡理论认为：太阳光来自太阳上氢原子的核 裂变反应。太阳的核裂变反应把氢原子裂变成光子， 把氢原子的质量转化成了能量。核聚变是 在氢原子发生核裂变产生高温下引发其它的氢原子在高温高压下发生核 聚变反应，聚变成氦 原子，聚变和 裂变是可逆反应，核裂变才能放出能量，核聚变是吸能反应。

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氢核聚变时的质量（损失）。

太阳能源来自于它直径不到50万千米的核心部分。其核心的温度高达1,500万度，压力极大，有2,500亿个大气压。在这样高温、高压条件下，产生核聚变反应，每4个氢原子核结合成一个氦原子核。
在这个核聚变过程中，太阳要损耗一些质量而释放出大量的能。使太阳发光的就是这种能量。太阳每秒钟由于核聚变而损耗的质量大约为400万吨。按照这样的消耗速度，太阳在50亿年的漫长时间中，只消耗了0.03%...

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太阳能源来自于它直径不到50万千米的核心部分。其核心的温度高达1,500万度，压力极大，有2,500亿个大气压。在这样高温、高压条件下，产生核聚变反应，每4个氢原子核结合成一个氦原子核。
在这个核聚变过程中，太阳要损耗一些质量而释放出大量的能。使太阳发光的就是这种能量。太阳每秒钟由于核聚变而损耗的质量大约为400万吨。按照这样的消耗速度，太阳在50亿年的漫长时间中，只消耗了0.03%的质量。

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来自地面嘛，

太阳上到底烧什么？直到20世纪30年代末，核物理学家提出4个氢原子核聚变成1个氦原子核的“热核反应”原理，这个问题才算解决。太阳是在“烧”氢。但那不是化学中氢气燃烧时核外电子的变化，而是整个原子核的变化，这种能量比“化学能”强千百万倍。据计算，每“烧”1千克氢就能放出6.4×1014焦耳的能量,相当于燃烧19000吨煤所产生的能量.而太阳可供“燃烧”的氢多达整个太阳的1／10，它能放出的总能量为1...

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太阳上到底烧什么？直到20世纪30年代末，核物理学家提出4个氢原子核聚变成1个氦原子核的“热核反应”原理，这个问题才算解决。太阳是在“烧”氢。但那不是化学中氢气燃烧时核外电子的变化，而是整个原子核的变化，这种能量比“化学能”强千百万倍。据计算，每“烧”1千克氢就能放出6.4×1014焦耳的能量,相当于燃烧19000吨煤所产生的能量.而太阳可供“燃烧”的氢多达整个太阳的1／10，它能放出的总能量为1.28×1041千焦耳。这样推算出太阳足可以稳定地“燃烧”上3.32×1017秒,约1010年,即100亿年,因此说太阳现在刚到“中年”。
太阳的内部主要可以分为三层：核心区、辐射区和对流区。
太阳的核心区域半径是太阳半径的1/4，约为整个太阳质量的一半以上。太阳核心的温度极高，达1500万℃，压力也极大，使得由氢聚变为氦的热核反应得以发生，从而释放出极大的能量。这些能量再通过辐射层和对流层中物质的传递，才得以传送到达太阳光球的底部，并通过光球向外辐射出去。太阳中心区的物质密度非常高。每立方厘米可达160克。太阳在自身强大重力吸引下，太阳中心区处于高密度、高温和高压状态。是太阳巨大能量的发祥地。 太阳中心区产生的能量的传递主要靠辐射形式。太阳中心区之外就是辐射层，辐射层的范围是从热核中心区顶部的0.25个太阳半径向外到0.86个太阳半径，这里的温度、密度和压力都是从内向外递减。从体积来说，辐射层占整个太阳体积的绝大部分。 太阳内部能量向外传播除辐射，还有对流过程。即从太阳0.86个太阳半径向外到达太阳大气层的底部，这一区间叫对流层。这一层气体性质变化很大，很不稳定，形成明显的上下对流运动。这是太阳内部结构的最外层。

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太阳能量来源于 核聚变反应.
四个氢原子在高温高压下聚变成1个氦原子.释放大量能量
可能为问,这样讲不通.谁在最初为这些氢提供聚变的高温高压.
那就是太阳本身了,太阳由于质量非常大,所以自身产生的高温高压可以支持氢的聚变反应.

来自构成太阳的原子的质能的转换，根据爱因斯坦E=MC2（能量等于质量乘以光速的平方）