天体物理讲义02

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1、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§2.1太阳的物理性质基本数据质量1.99×1030kg=332,000M⊕半径6.96×105km=109R⊕角直径32.5′密度150–1.4–10-7gcm-3转动周期25.4[e]–34.4[p]days温度1.5×107–5800–107K光度3.86×1033ergs-1太阳的化学组成元素质量丰度Hydrogen73.5%Helium24.8%Oxygen0.788%Carbon0.326%Nitrogen0.118%Iron0.162

2、%Silicon0.09%Magnesium0.06%Neon0.16%整体结构核心区辐射区对流区光球色球过渡区日冕§2.2太阳与恒星的能源1.太阳的能源L⊙≈3.8×1033ergs-1,τ⊙≈5×109yr可能的能源：(1)化学反应：2H+O→H2O+Eτ≤30yr(2)引力收缩(KelvinandHelmholtz)：辐射→压力↘→收缩→温度↗→辐射τ~(GM⊙2/R⊙L⊙)~107yrLordKelvin(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SirArthurS.Eddingto

3、n(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/AZ—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41H→4He+EE＝(4mH－mHe)c2≈(4×1.67×10-24－6.644×10-24)×c2≈4×10-5erg燃烧效率η≈0.7%(1)质子-质子链(ppchain)8×106K＜T＜2×107K,M＜1.5M⊙ppI:①1H+1H→2H+e++νe②2H+1H→3He+γ③3He+3He→4H

4、e+21H(2)碳氮氧循环(CNOcycle)T＞2×107K,M＞1.5M⊙①12C+1H→13N+γ②13N→13C+e++νe③13C+1H→14N+γ④14N+1H→15O+γ⑤15O→15N+e++νe⑥15N+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

5、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＞108K34He→12C+γ①4He+4He↔8Be②8Be+4He→12C+γ碳燃烧T＞6×108K12C+12C→24Mg+γ→23Na+p→20Ne+4He→23Mg+n→16O+24He氧燃烧T＞1.5×109K12O+12O→32S+γ→31P+p→28Si+4He→31S+n→24Mg+24He硅燃烧T＞1.5×109K28Si+28Si→56Ni+γ56Ni→56Fe+2e++2νe当恒星内部形成Fe后，由于Fe

6、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(TheSolarNeutrinoProblem)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。光子在太阳内部的无规行走(randomwalk)SpectrumofSolarNeutrinosWater太阳中微子的产生H+HD+positron+neutrinoH+H+electronD+neu

7、trinoD+HHe3+gammarayHe3+He3H+H+He4He3+He4Be7+gammarayBe7+positronLi7+neutrinoLi7+HHe4+He4Be7+HB8+gammarayB8Be8*+positron+neutrinoBe8*He4+He4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Ho