太阳能之本源再思考.docx

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1、太阳能之本源的再思考1、标准太阳模型的产生太阳是发热发光的天体，太阳光能照射到海王星，太阳和海王星相距约45亿km,则太阳光球的直径约90亿km.按日心说地球围绕太阳转，地球和太阳的均距约1.5亿km,地球是在太阳强光球内穿行，地球的背阳面有一直径12740km的圆形截面，长达43.5亿km的背光隧洞，人们在晚上通过背光隧洞才能看到天象.因地球自转，人们看到的天象是变化的，由于人的视线被太阳光阻隔，应有75%以上的夜晚看不到北极星.事实是北半球的人每个晚上能看到北极星，这证明地球未围绕太阳转.人们能每晚看到北极星只有一种情况才会发生，即地球在太阳一侧因匀速自转而位移圆周轨迹（轨迹直径约7850

2、32km）.因此地球具有远、近日点，也能合理解释四季和昼夜的形成.太阳是银河系的一颗普通恒星，与地球平均距离14960万千米，直径139万千米，质量1.989X1027吨（地球的333400倍），表面温度5770开，中心温度1500万开.由里向外分别为太阳核反应区、太阳对流层、太阳大气层.其中心区不停地进行热核反应，所产生的能量以辐射方式向宇宙空间发射.其中二十二亿分之一的能量经过大约8分钟辐射到地球，成为地球上光和热的主要来源.太阳的核心每秒钟燃烧6亿2000万吨的氢.发光度（1.S）：大约3.8271026sl.太阳的物质构成为：氢约占71%,氮约占27%,其它元素占2%.太阳在其主序星阶

3、段已经到了中年期，在这个阶段它核心内部发生的恒星核合成反应将氢聚变为氮.在太阳的核心，每秒能将超过400万吨物质转化为能量，生成中微子和太阳幅射.太阳内部结构图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，达到1500万,压力也极大，使得由氢聚变为氮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源地.把恒星表面温度作为横坐标，绝对星

4、等作为纵坐标，将所有的恒星都绘制在这同一幅坐标图上.谁也没有想到，这个简单的统计却得到了一项十分重要的发现：这个图揭示了恒星演化的重要规律.这就是天文学中的一项重大成就一一赫罗图.李政道先生曾指出：“20世纪初，科学界最大的谜是太阳.”人类探索太阳能源的奥秘，时间已久，最初人们以为太阳是一个大煤球，太阳靠燃烧煤来发出光和热，但经过计算，这煤球只够燃烧1500年.秦始皇统一中国到现在已两千多年了.秦始皇显然是见过太阳的，否则他到南方视察时就不会被太阳晒得中暑了.当然这是笑话，只是用来说明太阳能不是燃烧煤.后来有人设想，太阳能可能是因为在太阳系内有无限多的陨星不断掉到太阳表面而发热的.但人们发现太

5、阳系周围没有那么多陨星，另一方面如果有那么多陨星落到太阳表面的话，太阳的质量会不断增大，太阳的引力就会不断增强，这就会影响地球的运行轨道，使地球的轨道半径不断缩小，但研究表明，根据古代记录的日食和月食的资料证实，地球轨道自古至今基本没有变化.所以流星说被否定了.后来又有人提出太阳的引力收缩放出的能量，因为按当代理论，太阳引力收缩时，太阳的质量基本不变，设计不到地球的运行轨道问题.如果假设太阳最初的半径像现在的太阳系那么大，收缩到现在的太阳这样的小个子，那么引力能只能维持五千万年，比地球的年龄还小一百倍.而且考古发现，27亿年前已存在海藻生物了，因为生物是要阳光的，所以太阳至少发光二十几亿年了.

6、所以很多人都在思考，什么燃料能提供太阳燃烧上几十亿年呢？二十世纪初，爱因斯坦发表了一篇著名的相对论，其数学公式是E=mc2,如果按这公式计算，1克质量相当于9XIO加尔格.物质本身就是能量，这是人类巨大的发现，这是爱因斯坦伟大的功劳.按当代理论，太阳拥有2X10力克的质量.费曼曾经说过，如果在某次大灾难中，所有的科学知识都将被消失，只能留给后人一句话，那么“物质由原子构成”这一句话便是最少的词汇包含了最多的信息.十九世纪末科学家已发现了铀的放射性，居里夫人大家是很敬仰的，她就是研究放射性的，证实重原子核铀和牡等放射性元素，可以通过向外发射粒子而放出能量.后来人们又知道两个氢核聚合成一个氮原子核

7、时也会放出能量.太阳内部到底是重原子核衰变放出的能呢？还是氢核聚变为氮放出的能量.因为太阳光谱证实，太阳内部主要是氢元素，很少重元素.人们当然不会去考虑恒星能源是重原子放射性的事，只能考虑氢核聚变能.当时的天文学家，除了相信恒星是巨大的核电站以外，别无其它选择，因为他们想象不出还有其它的过程可以释放出这么多的能量，以补偿太阳的辐射达数十亿年.爱丁顿教授就是其中一个.爱丁顿估计太阳中心温度可以达到4000万度，并从直觉认为，在这温度下可以发生氢核聚变.但当时的物理学家认为,在恒星内部氢核是不可能发生聚变反应的.主要是因为氢原子核带正电.两个氢原子的核电荷之间的斥力会阻止氢核之间互相接近，从而不能

8、发生聚变反应.这个斥力叫库仑位垒.计算表明氢核之间要冲破它们之间的位垒,太阳中心的温度必须达到几百亿度.4000万度和几百亿度相差多大，难怪物理学家会认为恒星内部不能进行核反应.对于爱丁顿来说，这叫天无绝人之路，有一个研究量子力学的科学家叫乔治加莫夫.他出面解决这个温度不足的问题.加莫夫原先是研究重原子核的衰变问题的，按经典理论，镭原子核内的粒子受到核力的约束而不能分裂.但实际上镭原子内部还是有粒子放射出来.但量子力学认为微观粒子有隧道效应，粒子有一定的几率可以通过隧道跑到原子核外面.就像现在的火车，它虽然不能爬山，但它可以穿过隧道.对于铀原子的放射性来说，粒子有点像监狱的逃犯,打洞穿墙逃出墙

9、外.这时逃犯用不着像中国电影中的少林寺和尚那样，跳过很高的墙而逃走，而只要在墙根上挖个小洞钻出去就行了.所以伽莫夫可能认为，既然墙里头的人要出来可以打洞，为什么墙外头的人要进墙里头就不可以打洞呢？可以肯定质子和质子的聚合反应，也可以通过隧道效应实现的.（我们将在第八章证明这理论是错误的）这样一来，氢核聚变反应就用不着几百亿度，而只要几千万度就行了.从此，伽莫夫一方面为爱丁顿解了围，更重要的是为氢核聚变理论铺开了道路.从此人们都相信，太阳的能源是来自氢核的聚变反应，而且还知道，氢燃料可供太阳燃烧100亿年，现在只用去了一半，还有50亿年可用.这理论，很快被大多数天文学家接受，原因之一是氢核使用寿

10、命长，还有50亿年可用，人类还担心什么，这就像给每一个天文学家都吃下一个甜甜的定心丸.第二个原因是再也找不出更好的理论了，不信也得信.最初人们只从概念上觉得太阳能源应该是氢核聚变产生的.但是发生的是哪种核反应？还不大清楚.直到10年以后，1938年，才由美国的汉斯贝特和德国的魏茨译克分别找到了一个叫“碳循环”的反应方程式，而贝特又和查理斯克里奇菲尔德找到了另一种叫质子一质子链的反应方程.前者写作（CNO）循环，后者写作（PP）反应.贝特因此获得了1967年度诺贝尔物理奖.他们有关太阳能源的理论，统称为标准太阳模型.所谓标准太阳模型，全部是理论性的，没有一个直接测量的证据，因为太阳中心的温度到底

11、是多少度，核心有没有发生聚变反应，谁也没法进行实际测量.后来人们想到，标准太阳模型中（CNo）循环和（PP）反应，都会大量放出中微子，因为中微子几乎不被太阳物质吸收，可以到达地球上.人们想，如果我们能测量到太阳中心射出来的中微子，那就证明太阳中心确实进行了热核反应.2、标准太阳模型的困难太阳中微子失踪案：这是30多年来（1968年至今）一直找不到答案的老问题，加上从1993年及1995年开始运行的水切连科夫探测器和线探测器,长期对太阳中微子的测量证明，太阳中微子到达地球后确实有很大一部分失踪了.后来科学家又发现，就在大气圈上空产生的中微子，在运行过程中同样有很大一部分失踪了.总得给一个说法，这

12、就是大多数科学家都同意的“味震荡”假说.它是说，中微子有少许静质量，且质量本征态与弱作用本征态不简并，不同味道的中微子在运行中就允许发生“味震荡”，即电子型中微子在运行过程中变成了难以探测的其他“味道”的中微子，为了证明这一假说的可靠性，科学家又把测量的对象对准了人工源（反应堆）中微子，虽然各有说词，但问题的严重性也终于浮出了水面一“震荡假说”如果成立，就会同时存在5个佐证：（1）找到可重复检测的双B衰变的观察依据；（2）中微子震荡的运行距离（1.）具有线性数学结构；（3）高能端的观察事例数大于低能端；（4）可测量的口中微子数量与太阳运动方向相统一；（5）不出现中微子质量平方值为负的事例.然而

13、事实恰好相反，由铃木厚人领导的“卡姆兰德”实验组提供了（2）、（3）二项相反的测量依据，其它实验提供了（4）、（5）二项相反的依据，笫（1）项还没有找到.这就是目前的进展状况.简单的中微子失踪案向现有的科学理论提出了严重的挑战.测量太阳中微子的工作首先有戴维斯着手进行，而多年测量结果表明，测量到的中微子数值，只是理论值的四分之一，其余四分之三的中微子失踪了，这就是有名的中微子失踪案.这结果，对标准太阳模型打击很大，因为唯一的证明太阳内部进行热核反应的证据都拿不出来，人们自然会想，标准太阳模型靠得住吗？他们这时才有点感觉到，以前含在嘴里的那颗定心丸，等糖衣化了以后，原来是个苦果.但又不能吐掉，因

14、为当时谁也找不出一个比标准太阳模型更好的理论，找不出其它的能源可以代替氢核聚变反应能，所以在这种情况下，天文学家只好决定找一些补充理论试图救治这个陷于困境的标准太阳模型.为此，很多理论家出面充当大夫开出了不少方子，有的提议修改计算机的参数，把太阳中心的温度降低一点，理论值和观测值就会一致.也有人认为中微子可能会衰变，中微子在从太阳中心到达地球的路途中衰变了大部分，所以测量值就比理论值少了.还有一些人提出的见解更是奇特，认为太阳内部现在不存在核反应了，现在的热是过去核反应留下来的，按他们的看法，太阳中心的核反应炉有时运转有时停火.现在刚好是太阳核反应炉停止运转的时期.当代天文学家大多数相信星云学

15、说，认为恒星是星云气体收缩而成的，也就是说恒星演化方向是从大到小.发明赫罗图的天文学家之一罗素最初就认为恒星的演化方向是从红巨星到主序星再到白矮星.自从热核反应能提出以后，罗素的理论就被否定了.因为太阳能热核反应产生的理论，用在红巨星上时就产生了困难，红巨星这么大，如果它是刚由星云收缩到这种体积的话，那红巨星中心的密度可能还很小，中心的温度肯定也很低，远远达不到氢核反应的点火温度.因此他们断言红巨星不可能是年幼的恒星.因为天文学家已把主序星定义为年青恒星了.但是，红巨星总得给它找个年龄位置呀.红巨星不是年幼的，又不是年青的，那肯定是年老的了.然后就找来一个理论，证明红巨星是年老的，从程序上说，

16、好像公安局先定罪然后找罪证一样.后来找着了，天文学家认为当主序星把氢烧完了以后，接着就燃烧氮,那时放出大量的热使恒星体积膨胀，变为红巨星.这样一来就把罗素的理论推翻了，对星云学说也打了一个折扣.从此二十世纪的天文学家就把红巨星及以后的白矮星、中子星定义为老年星.接着要找年幼的恒星了，天上的年青主序星那么多，按理幼年星也应该很多呀，但幼年星始终不露面，目前虽然有人找着几个他们认为是原恒星，也就是刚形成的幼年星，但最终还没有定论.这就造成天文学上的一个怪现象，中年恒星到处跑，幼年恒星找不着，老年恒星喜欢住在养老院.人类老来瘦，恒星老来胖，快死的恒星小不点.如果按照罗素最初的理论，一方面他符合星云学说，第二，恒星的年龄合理了，红巨星是刚产生的幼年星，收缩后成为年青的主序星，老了进一步收缩为为白矮星或中子星.当代理论把红巨星定为老年星以后，球状星团自然就成了老龄星团了.球状星团就成了恒星养老院，因为球状星团里头大多数是红巨星.大多数球状星团都被定为几十亿岁到一百多亿岁了.有些还被定为