第七章能量来源及元素合成七，太阳和恒星的能量

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1、七，太阳和恒星的能量 来源及元素合成1，核能和爱因斯坦的Emc2 2，恒星的能源和寿命 3，恒星上元素的分布 4，恒星上元素的合成 5，福勒的贡献和获1983年诺贝尔奖福勒从事与元素合成有关核反应的实验和理 论研究，被誉为这一领域的先驱者。他把 原子核物理理论应用于天体物理学的研究 成为核天体物理学这个新学科的奠基人。他因为对宇宙化学元素形成机制的研究 而荣获1983年度的诺贝尔物理学奖。1，元素及宇宙中 元素分布宇宙化学元素合成宇宙中存在的各种各样的物质都是由各种 元素组成。地球、行星、太阳、恒星、星云 以及星际介质中具有各种各样但不尽相同的 元素及同位素。这些元素是在宇宙演化的不 同阶段和

2、不同的恒星演化过程中产生的。弄清楚宇宙中各种元素的生成机制及形成 目前观测到的丰度一直是科学家探求解决的 难题。 问题讨论1，地球上有多少种元素？2，有什么方法可以探知恒星中或宇宙中的化学成分？丰富的物质世界今天的物质世界丰富多采，是因为 有多种多样的元素存在。宇宙中的万 物都是由元素周期表中列出的各种元 素所组成。不同元素的差别不同的元素仅仅是它们原子核中的 质子数和中子数的不同。具有相同质 子数，但中子数不同的原子核形成同 位素。20世纪20年代，天文学家通过光谱 分析知道太阳物质组成。地球上的化学元素地球上的化学元素种类繁多，宇宙其它天体上有的地球上都有。人体中也有丰富的元素，不仅有铁、

3、碳、氮、钙、锂、铍、硼、氢，还有微 量的比铁更重的元素。元素丰度 太阳上的元素相对于氢的丰度是： 氢（H）=1.0;氦（He）=0.38; 氧(O)=0.001;碳(C)=0.00052; 氮(N)=0.0001; 硅(Si),镁(Mg),铁(Fe),钠(Na), 钙(Ca),镍(Ni),铬(Cr),等在 0.000028以下。 什么是重元素与通常意义下的重元素不同。天文学上习惯把氢和氦以外的元素称为重元素。大多数恒星上的元素丰度都差不多，也有某些种类的恒星的 元素丰度差别比较大。宇宙中最多的元素宇宙中最多的元素是氢原子，其原子 核就是质子。按质量计，它约占宇宙全 部看得见的物质的34。第二多

4、的元素 是氦，约占全宇宙的14。所有其他元 素的总和只占不足百分之一。但是不足 百分之一其它元素种类繁多。氢 氦 碳 氧原子核用符号X 为原子核所对应的元素符号 A 为质量数，中子和质子的总数 Z 为质子数2，原子核和 核反应，三种射线的发现19世纪末发现天然放射现象后，科学家认识到原子核的复杂结构和核反 应。放射性元素铀、钋和镭放出， ，三种射线。电场 氦核 电子 光子利用电场作实验，由照相底片纪录射线是氦的原子核，射线是电 子，射线是能量很高的光子。在发现质子和中子后，才最后弄清楚原子核是由质子和中子组成的。核力在原子核中有多个质子存在，质子 带正电，彼此排斥。必然有一种力把 众多的质子和

5、中子紧紧地聚集在一起 的。这就是核力。核力的作用范围非常小，作用距离 只有10-13厘米。引力电磁力电磁力比引力强得多!原子核之间接近很困难原子核（或质子）之间的静电斥力 和它们的电量成正比，和它们之间的 距离的平方成反比。它们越接近，斥 力越大。原子核中的质子越多，斥力 越大。核聚变的困难原子核是带正电的，同性电荷相斥 使它们不可能彼此靠近。要使几个带 正电的原子核或质子发生聚变，必须 使它们彼此接近到10-13厘米核力能起 作用的范围内。人工核反应 1919年卢瑟福用粒子（氦核）轰击氮原子核，观测到闪光, 确认为质子 1930年发现由粒子轰击铍（Be）时产生穿透力极强的射线，后来确认为中子

6、 高能带电粒子加速器，实行人工核反应 带电粒子加速器如何加速？带电粒子在电场和磁场中受什么力？电场力和罗伦兹力。加速器的原理：利用带电粒子在电场 和磁场中受电场力和罗伦兹力的作用可 以获得加速度的原理，研制成各种的高 能带电粒子加速器。目前世界上的大型加速器可以把质 子加速到10000亿电子伏特的能量。 加速器使带电粒子获得很高的能量， 成为轰击原子核的炮弹，实现人工原 子核反应。能量单位：电子伏特常用的有伏安（伏特安培）实现加速途径：1，高温2，高密，简并气体3，加速器3，太阳的能源太阳能源和热核反应太阳的表面温度大约为6000度，而 中心温度却高达1200万度。它每秒钟 向太空辐射的能量为

7、3.8 1026焦耳。太阳的年龄已经超过50亿年。根据 地质资料，在这么长的时间内太阳的 辐射能没有明显的变化。这表明，必 定有一个长期而稳定的能源。 懂得少的比懂得多的人聪明爱丁顿提出恒星能源来自核反应1926年，爱丁顿首先提出恒星的能 源只能是来自核反应。研究核反应的物理学家认为不可能当时的物理学研究知道，只有当温 度达到几百亿度时，才能发生聚变。 而恒星中心区域的温度达不到这样的 高温，所以他们认为在恒星内部不可 能发生核反应。爱丁顿胜利了最后还是爱丁顿胜利了，物理学家终于 发现，由于量子力学的隧道效应，在恒星 内部温度的条件下是可以发生核反应的。但并不是爱丁顿解决的这个难题，他提 出的

8、看法和他的名气促进物理学家研究这 个问题。氢核聚变氢核聚变为氦核是由4个氢核（质子）和两个电子形成的。但是不可能由它们直接形成。因为， 要让6个粒子同时碰撞太难了，即使它 们的速度足以使它们碰撞，但6个粒子同时碰撞的机会实在是太小了。氢聚变反应的质量损失4个氢原子核总质量：4.0291原子质量单位氦原子核质量4.0015原子质量单位质量亏损：0.0276原子质量单位爱因斯坦质能关系 ： E=mc2每次氢聚变反应放出4.121012焦耳 1克氢的聚变： 6.211011焦耳可使1500吨水从0度加热到100度太阳质量41033克，70为氢若其一半聚变为氦，足用350亿年太阳中的产能区氢聚变为氦的

9、反应只有在1千多万度的高温下才能有效地进行。太阳内部的温度是 由中心在外逐渐降低的。只有中心附近的 一个约为太阳半径的1/10的区域可进行氢聚变核反应。产能核心每秒钟产生约 41026焦耳的能量，正好和目前观测到的太阳辐射相当。福勒福勒1933年就读于俄亥俄州立 大学工程物理系。1936年他在加 州理工学院获哲学博士学位。一 直在加州理工学院凯洛格福辐射 实验室工作。 4，质子质子反应和 “ 碳氮一氧循环”氢核聚变为氦核 最简单的聚变反应 4个质子2个电子同时碰在一起 太困难了。 质子之间的静电斥力和它们之间的 距离的平方成反比。它们越接近，斥 力越大。 分几次完成是可行的氢聚变是由分三个步骤

10、完成：(P-P反应)1，两个质子碰撞并发生聚变，形成氢的同位素氘( ) 2，由氘和质子碰撞形成氦的同位素氦3 3，两个氦3( )碰撞形成氦核，完成由氢核聚变为氦核( )的反应。 质子质子链式反应注意：元素由原子核中的质子数决定PP反应共6个质子参与，形成两个质 子、一个氦核、两个中微子、两 个正电子和两个光子。同时释放24.158电子伏特的能 量。在太阳和恒星内部没有类似的 加速器，发生聚变核反应只能靠 高温。高温使原子电离为原子核和电 子，同时使部分原子核具有很高 的动能，使它们能克服库仑斥力 达到可以发生聚变的程度。氢弹爆炸在地球上已成功地实现氢聚变 的热核反应，那就是氢弹爆炸。在太阳或其

11、它和太阳质量差不 多的恒星所具有的温度条件下， 只能有氢聚变为氦的反应。“ 碳氮氧”循环美国核物理学家贝特于1936年发表 关于氢聚变为氦的“ 碳氮一氧循环” 论文。年轻的福勒从1933年起就从事碳、 氮、氧循环”中第一个反应的研究。提 供了检验“ 碳氮一氧循环”可行性 的实验证据。碳氮氧循环形成氦核 1，首先由碳核和一个氢核（质子） 碰撞，形成氮同位素核。 2，它是放射性核，很快就放出两个 轻粒子（正电子和中微子）形成碳 同位素的核。3,由形成碳同位素的核和质子反应形成 氮核4，由氮核和质子相碰撞形成氧同位素 核，也是放射性核，它放出一个正电 子和一个中微子后衰变为氮同位素核5，最后，由氮同

12、位素核和一个质子 碰撞形成碳核和氦核最终是4个氢原子核合成一个氦核， 同时产生两个正电子，两个中微子 和三个光子，释放出25.03兆电子伏特 的能量。这一系列的反应都是放热反 应，因此可提供能源。条件1，参加核反应的碳、氮、氧在反应前后并没有改变，特别是氮、氧是中 间产物，产生了又消失。但一定要有 碳存在； 2，碳、氮、氧循环要求1500万的高温； 3，要有足够多的氢核(质子)，就可以成为稳定的能源。碳从那里来？“ 碳氮氧循环”提出10年后，仍未 得到公认。最大的困难要有足够的碳元 素存在。没有人给出恒星中产生碳元素 的机制。碳元素从何而来福勒等的实验： 1，由硼 的同位素的衰变制造出碳12的

13、激发态 2，发现有一些激发态的碳分裂为3个 氦核。这一核反应是可逆的，说明3个 氦核也可以结合成碳核“ 氦燃烧”碳元素合成的重要意义碳元素合成为恒星元素合成理论的关 键，其它重元素在恒星中合成的问题就 很容易解决。如用氦核（粒子）轰击碳原子核， 就可以使它增加4个原子质量单位，新形成的核又会衰变为其它元素和同位 素。5，重元素的产生和 B2FH元素形成理论地球上的重元素来自何方？地球上现存的所有比铁重的元素， 我们人体中的微量重元素都是50亿 年以前超新星爆发的遗留物。除了 宇宙大爆炸后形成的第一批恒星外， 其它恒星中也都会有超新星爆发的 遗留物。核反应的条件温度由于原子核之间的静电斥力正比两

14、 者所带电荷之乘积，因此不同的核反 应必须要在不同的温度下才能进行。碳、氮、氧循环需要1500万度以上 的高温。更重原子核之间的反应，需要的温 度更高。重元素的产生不是所有恒星都能产生比氦重的元素，由于合成重元素要求特别高的温 度和压强，只有比较少的一部分大质 量恒星能够产生重元素的核反应。比铁更重的元素，则是在超新星爆发短暂的时间内产生的。 小质量恒星的演化（16倍太阳质量）中心部分温度不太高，低于5亿度，密度也不太大，中心以碳和氧为主， 不会发生新的热核反应。中心坍缩的结果是形成白矮星，外部大气形成行星状星云。不同质量的主序星寿命在主序星阶段由热核反应提供能源，其寿命由由核燃料的燃烧殆尽的

15、时间 来决定，质量大的恒星热核反应迅速， 核燃料消耗很快。而小质量恒星的核 燃料消耗非常慢，因此大质量恒星的 寿命要比小质量恒星的寿命短得多。质量是主宰恒星演化的決定性因素。小质量恒星中心核反应中等质量恒星的演化（810倍太阳质量）中心部分温度比较高，达8亿度，密 度也更大。可发生以碳元素为燃料的一 系列核反应，形成镁、钠、氖、氧等。均为放热反应，很剧烈。最后将发展 成爆炸，产生冲击波，引起外层的核反 应，导致大规模爆发超新星爆发。中 心形成中子星。大质量恒星的演化（大于20倍太阳质量）由于体积比太阳大得多，密度不太高，中心部分进行碳、氧燃烧。 最后形成以铁为主的核心。以后即使有核反应也是吸热

16、反应。这之后，恒星就要坍缩，引起超新星 爆发，中心留下一个黑洞。大质量恒星中心核反应B2FH元素形成理论B2 伯比奇夫妇（著名天文学家） F 福勒（核物理学家） H 霍伊尔（著名天文学家）福勒和霍伊尔福勒和虽是这篇论文的第三作者， 但他却是核心人物。霍伊尔的作用也 很大。出于谦虚和对著名天文学家伯 比奇夫妇的尊敬，没有当第一作者。这一理论已成功地解决了恒星中碳元素形成的问题。碳元素合成是关键碳元素合成问题的解决成为恒星元素合成理论的关键。以此为例，其它重元素在恒星中合成的问题就很容易解决。如用氦核（粒子）轰击原子核， 每次使核的质量增加4个原子质量单 位，新形成的核又会衰变为其它元素 和同位素。对于比铁更重的元素，单个中子打 进原子核的反应也是很重要的。每次 可以使核增加一个质量单位。核反应实验各种元素合成的核反应过程是否能 实现取决于它们的反应速率和反应截 面，以及反应所要求的