七,太阳和恒星的能量来源及元素合成1,核能和爱因斯坦的教学材料

核反应的条件－－温度
由于原子核之间的静电斥力正比两 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。
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。
大质量恒星的演化（不要求）
（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。
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）
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（不要求）
（1－6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。
A
Z
XΒιβλιοθήκη Baidu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
α，β，γ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α， β，γ三种射线。
α射线是氦的原子核，β射线是电 子，γ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 F(g)Gm'/m d2 电磁力 F(e)qq'/d2
F(e)/F(g)2.31309 电磁力比引力强得多!
福勒的贡献
福勒和他的小组成功的完成了生成 恒星中所有的元素及其同位素的将近 100个核反应过程的反应速率的计算， 为B2FH理论的建立作好了充分地准备。 福勒与凯洛格实验室的合作者对恒星 核合成理论的形成起了关键作用。
B2FH元素形成理论
于1956年在<<现代物理评论>>期刊 上发表题为“ 星体元素的合成法”的论 文，全面阐述了重元素在恒星内部发 生的核反应中生成的理论。
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3／4。第二多的元素 是氦，约占全宇宙的1／4。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
H 1 1－ H2 4－ eC6 1－ 2 O 8 16
X 原子核用符号
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4.12×10－12焦耳 1克氢的聚变： 6.21×1011焦耳
可使1500吨水从0度加热到100度
太阳质量＝4×1033克，70％为氢 若其一半聚变为氦，足用350亿年
福勒和霍伊尔
福勒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。
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，以及反应所要求的温度和压强条 件。这些都是要在实验室中进行实验 和测量的。这些实验和计算非常繁杂， 工作量很大。
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3.8 × 1026焦耳。
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E＝mc2 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。
2 1
)
2，由氘和质子碰撞形成氦的同位素氦3
3，两个氦3(
He
3 2
)碰撞形成氦核，完成
由氢核聚变为氦核(
He
4 2
)的反应。
质子－质子链式反应
H11 H11 H12 e e H12 H11 He23
He23 He23 He24 2H11
注意：元素由原子核中的质子数决定
P－P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。
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。
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。
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。
質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（不要求）
（8－10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。
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、 碳、氮、钙、锂、铍、硼、氢，还有微 量的比铁更重的元素。
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
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。
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。
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。
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。
极高的评价
B2FH的论文受到，被视为科学经典 论文。认为这篇论文解决了在恒星中 产生各种天然元素的难题。
这一理论提出了恒星不同演化阶段 相应的八种核反应合成过程，可以形 成所有的元素及其同位素。
超新星爆发是重元素 产生的重要过程
比铁更重的元素，是在超新星爆发 短暂的时间内产生的。随着超新星爆 炸，众多的重元素便撒到宇宙空间去 了。
1，宇宙中的元素及其丰度。
2，如何探知恒星中或宇宙中的化学成分？
3，用X
A Z
表示原子核，写出氢、氦、碳、氧核
的表达式。
4，试说明太阳的能源。
5，福勒的贡献和治学特点
6，名词解释：元素丰度；同位素；p-p反应
地球上重元素的来源
我们地球上现存的所有比铁重的， 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。
恒星上的氦的比例约占30％， 但是用恒星上元素形成理论不能 得到这么多。
大量氦是在宇宙演化早期产生 的。
第八章 要求
4，质子－质子反应
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(
H
太阳中的产能区
氢聚变为氦的反应只有在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 4×1026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。
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
• 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。