chapter02高中物理太阳与恒星的结构幻灯片.ppt

第二章 太阳与恒星的结构,§2.1 太阳的物理性质 §2.2 太阳与恒星的能源 §2.3 太阳内部 §2.4 标准太阳模型 §2.5 太阳大气 §2.6 太阳的活动,状元365答疑网 中小学互动答疑领导品牌,§2.1太阳的物理性质,状元365答疑网 中小学互动答疑领导品牌,基本数据,质量 1.99×1030 kg = 332,000 M⊕ 半径 6.96×105 km = 109 R⊕ 角直径 32.5′ 密度 150 – 1.4 – 10-7 gcm-3 转动周期 25.4 [e] – 34.4 [p] days 温度 1.5×107 – 5800 – 107 K 光度 3.86×1033 ergs-1,状元365答疑网 中小学互动答疑领导品牌,太阳的化学组成,整体结构,核心区 辐射区 对流区 光球 色球 过渡区 日冕,状元365答疑网 中小学互动答疑领导品牌,§2.2 太阳与恒星的能源,1. 太阳的能源 L⊙≈3.8×1033 ergs-1, τ⊙≈5×109 yr 可能的能源： (1) 化学反应：2H + O → H2O + E τ ≤30 yr (2) 引力收缩(Kelvin and Helmholtz) ： 辐射→压力↘→收缩→温度↗→辐射 τ ~ (GM⊙2/R⊙L⊙) ~107 yr,,,Lord Kelvin (1824-1907),热核聚变反应,核子1 + 核子2 核子3 + 能量 质量亏损 核子1 + 核子2质量 核子3质量 热核聚变反应要求粒子处于高温高密状态,,Sir Arthur S. Eddington (1882 - 1944),,热核反应原理,Einstein质量-能量关系：E＝mc2 原子核结合能：Q＝[( Zmp＋Nmn )－m (Z, N)] c2 /A Z—核电荷数（原子序数），N —中子数 A＝Z＋N 原子量 Fe元素具有最大的结合能,结合能较小的原子核聚变成结合能较大的原子核会释放能量。

2. H燃烧,4 1H → 4He + E E＝(4mH－mHe) c2≈(4×1.67×10-24－6.644×10-24) × c2 ≈4×10-5 erg 燃烧效率η≈0.7%,(1) 质子-质子链 (pp chain) 8×106 K ＜ T ＜ 2×107 K, M ＜ 1.5M⊙ ppI: ① 1H + 1H → 2H + e+ +νe ② 2H + 1H → 3He +γ ③ 3He + 3He → 4He + 2 1H,(2) 碳氮氧循环 (CNO cycle) T＞2×107 K, M＞1.5M⊙ ① 12C + 1H → 13N +γ ② 13N → 13C + e+ +νe ③ 13C + 1H → 14N +γ ④ 14N + 1H → 15O +γ ⑤ 15O → 15N + e+ +νe ⑥ 15N + 1H → 12C + 4He,,,质子-质子链与碳氮氧循环核反应的比较,恒星内部的流体静力学平衡,恒星内部的核反应速率对温度十分敏感， ε∝T4 (PP), T17 (CNO) 恒星如何维持稳定的核燃烧过程？ 恒星是稳定的气体球，其内部任意一点必须维持流体静力学平衡。

（向内的）重力 （向外的）压力差 T ↑→ε ↑→ P ↑→ R ↑ → T ↓,恒星内部的流体静力学平衡,越往恒星内部，重力越强 恒星的内部压强自外向内逐渐增强 恒星的温度自外向内逐渐升高 太阳核心的温度由此可以估计为1500万度，足以维持H的热核聚变反应的进行3. 比H更重的元素的燃烧,He燃烧 (3α反应) T＞108 K 3 4He → 12C +γ ① 4He + 4He ↔ 8Be ② 8Be + 4He → 12C +γ,状元365答疑网 中小学互动答疑领导品牌,碳燃烧 T＞6×108 K 12C + 12C → 24Mg +γ → 23Na + p → 20Ne + 4He → 23Mg + n → 16O + 2 4He,氧燃烧 T＞1.5×109 K 12O + 12O → 32S +γ → 31P + p → 28Si + 4He → 31S + n → 24Mg + 2 4He,硅燃烧 T＞1.5×109 K 28Si + 28Si → 56Ni +γ 56Ni → 56Fe + 2e+ + 2νe,,,状元365答疑网 中小学互动答疑领导品牌,当恒星内部形成Fe后，由于Fe的聚变反应吸热而不是放热，恒星内部的热核反应由此停止。

太阳中微子问题 (The Solar Neutrino Problem),中微子是一种不带电、质量极小的亚原子粒子，它几乎不与任何物质发生相互作用 太阳内部H核聚变释放能量的5%被中微子携带向外传输，每秒大约有1015个中微子穿过我们的身体 目前接收到的太阳的辐射（光子）实际上产生于~105-107年前的太阳内部，而中微子则是在当时产生的状元365答疑网 中小学互动答疑领导品牌,光子在太阳内部的无规行走(random walk),Spectrum of Solar Neutrinos,Water,太阳中微子的产生,H + H  D + positron + neutrino H + H + electron  D + neutrino D + H  He3 + gamma ray He3 + He3  H + H + He4 He3 + He4  Be7 + gamma ray Be7 + positron  Li7 + neutrino Li7 + H  He4 + He4 Be7 + H  B8 + gamma ray B8  Be8* + positron + neutrino Be8*  He4 + He4,状元365答疑网 中小学互动答疑领导品牌,太阳中微子的探测,原理 (1) 中微子与C2Cl4相互作用 37Cl +ν→ 37Ar + e (2) 37Ar俘获内壳层电子 37Ar + e →37Cl +ν (3) 37Cl退激发释放光子,Homestake金矿中微子实验室,,,,,,,,,1.6 km,C2Cl4,中微子探测器,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,宇宙线,,,,,100,000 gal. tank,,,,金矿,,,,,,,,,,,Sudbury Neutrino Observotary (SNO) in Canada,Super-Kamiokande Neutrino Observotary in Japan,太阳中微子探测器,太阳中微子失踪案,实际测量到的太阳中微子数目只有理论计算值的约2/3。

可能的原因： 太阳内部结构与成分与太阳标准模型差异 中微子物理——中微子振荡 电子中微子、μ中微子和τ中微子状元365答疑网 中小学互动答疑领导品牌,揭示中微子失踪之谜 Measurement of the rate of νe + dp + p + e－ Q.R. Ahmad et al. (178 persons),2001年，SNO的观测结果证实中微子事实上没有失踪，只是在离开太阳后转化成μ中微子和τ中微子，躲过了此前的探测，这间接证明中微子具有质量Direct Evidence for Neutrino Flavor Transformation from Neutral-Current Interactions in the SNO Q.R. Ahmad et al. (2002),The number of electron-neutrinos observed is only about one third of the total number reaching the Earth. This shows unambiguously that electron-neutrinos emitted by the Sun have changed to muon- or tau-neutrinos before they reach Earth.,§2.3 太阳内部,热平衡 能量传输的三种形式：辐射、传导与对流。

太阳核心区产生的能量主要通过辐射与对流向外传递辐射 (radiation) 辐射传热：恒星内部的冷物质通过吸收热区的光子而加热 辐射平衡：如果恒星内部产生的能量全部由辐射向外传递，则称恒星处于辐射平衡 辐射平衡下的温度梯度为： 其中κ 为不透明度系数不透明度来源： 电子束缚-束缚跃迁（原子吸收线） 电子束缚-自由跃迁（光致电离） 电子自由-自由跃迁 （轫致辐射） 不透明度对恒星结构的影响 κ↓→dL↑→Tc↓→P↓→R↓→ κ↑ κ↑→Tc↑→P↑→R↑→ κ↓,状元365答疑网 中小学互动答疑领导品牌,对流 (convection)：气体在冷热区域之间的大规模的循环流动 产生对流的物理条件 随着恒星内部的不透明度或产能率增大，辐射温度梯度值增大，辐射不再是传递能量的有效方式，或辐射平衡是不稳定的，这时在恒星内部产生对流 对流传热的物理过程 热气体膨胀上升，冷却后下沉，形成物质流动的循环和热量的传递 对流不仅传递能量，还起着混合物质的作用 对流平衡下的温度 γ—绝热指数,,2. 恒星中的辐射和对流区,判据 辐射区 | dT/dr (rad) | | dT/dr (conv)| 由辐射平衡下的温度梯度知对流区出现的条件： 温度低或产能率高。

状元365答疑网 中小学互动答疑领导品牌,(1) 低质量主序星 ( M 1.5-2 M⊙),辐射区 ＋ 对流包层 核心区ε~ T4 → 能量产生于较大的内核 包层：T↓→ κ↑,状元365答疑网 中小学互动答疑领导品牌,太阳内部的辐射与对流区,(2) 大质量主序星 ( M 1.5-2 M⊙),对流区 ＋ 辐射包层 核心区ε~ T17 → 能量产生于很小的内核区（对10 M⊙恒星，50%的能量产生于包含2%质量的体积内）3) 极低质量主序星 ( M 0.8 M⊙),低温 整体对流,3. 物态,气体内部的总压强主要由两部分组成： 气体粒子运动产生的气体压强和光子产生的辐射压强 P＝Pg ＋ Prad 非简并气体 (non-degenerate gas) 理想气体状态方程 Pg＝nkT＝ρkT/μmH 其中μ: 平均分子量 ，mH : H原子质量 对完全电离等离子体： Pg＝ρkT (2X＋3Y/4＋Z/2 ) /mH 辐射压Prad＝aT4/3,简并气体 (degenerate gas) (1) 电子简并条件：高密、低温 (2) 电子简并压的物理成因 ： Pauli不相容原理：电子不可能占据两个相同的能态 Heisenberg测不准原理 △X△PX＞h (3) 电子简并压 非相对论性电子（vc）: Pe~ρ5/3 相对论性电子（v≤c）: Pe~ρ4/3 抗压缩性，与温度无关 (4) 离子压强 PI＝ρkT (X＋Y/4 ) /mH,Degeneracy,§2.4 标准太阳模型,恒星内部的平衡条件 (1) 质量连续性方程 考虑质量为M、半径为R的气体球， 半径为r、厚度为dr的球壳所包含的质量为： dM(r)＝4πr2ρdr → dM(r)/dr＝4πr2ρ,(2) 流体静力学平衡 对半径为r、厚度为dr的球壳内面积为dA的气体元， 重力 dFg＝－GM(r) dM/r2 ＝－GM(r)ρdAdr/r2 压力 dFP＝PdA－( P + dP ) dA＝－dPdA 0＝dFg + dFP＝－GM(r)ρdAdr/r2－dPdA → dP/dr＝－GM(r)ρ/ r2,(3) 能量守恒 L(r)—单位时间通过半径为r的球面的能量 ε(r)—单位物质在单位时间产生的能量 半径为r、厚度为dr的球壳两侧的能量差 dL＝L(r+dr)－L(r) ＝εdM ＝4πr2ρεdr → dL/dr＝4πr2ρε (4) 能。