【作者：黃姤】

太陽是地球上所有生命的能量來源，太陽的光度是 3.845×10^33 爾格/秒，地質學和生物學的證據表明太陽的光度在過去45億年裡面并沒有明顯的變化，去研究太陽為什麼發光，就必須要解釋是什麼能源使得太陽能夠在這麼長的時間裡維持這麼高的光度。

第一種理論：最早提出化學能作為太陽的能源，太陽是利用化學反應，氫和氧這兩個原子結合變成水分子這個過程會釋放能量，但是把這個釋放的能量和太陽的光度進行比較會發現，即使是把太陽裡面所有的氧都用來參與這個反應，它也隻能維持太陽30年的輻射時間，所以這個觀點很快就被排除了。

第二種理論：讨論得比較多的是‘引力勢能’，任何具有一定溫度的天氣體都會産生輻射，由于輻射天體内部的溫度會下降，這就意味着它内部的氣體壓力和輻射壓力會降低，在引力的作用下它的體積會減小，由于它的收縮會使得它一部分的引力勢能會轉化為熱能，所以它的溫度會上升，這樣天體又會持續地産生輻射，在這樣的過程裡面産生輻射的能源是由于引力勢能的轉變。

引力勢能的轉變這個觀點在19世紀到20世紀曾經是一個比較科學地解釋太陽能源的一種理論，但是這種理論面臨的問題和化學能其實是類似的，一個天體它所具有的總引力勢能大小和它質量的平方與它半徑之比是有關系的，利用太陽的光度作比較就可以得到它所能夠維持的時間，發現引力勢能釋放太陽能源維持的時間隻有1,000萬年，這個時間同樣地遠遠短于太陽的壽命，所以以上兩種理論都不能夠解釋太陽能源的機制，為了更加科學地理解太陽能源的機制，首先要了解太陽内部處于一個什麼樣的物理狀态。

恒星都是一個穩定的、熾熱的氣體球，因為恒星表面的溫度有幾千K，物質主要是以氣态的方式存在的，恒星可以維持幾十億年的穩定輻射，所以恒星處于力平衡和熱平衡的狀态，恒星要保持力平衡和熱平衡的狀态。在恒星這個氣體球裡面任意一點所受的淨力是等于0的，在這個氣體球裡面任何一個小小的氣體雲所受到的力可以歸結為兩種：

• 一種力是向内的引力、
• 另一種是向外的壓力、

壓力更準确可以說是氣體的壓力差，因為在任意一點所受到的氣體壓力是四面八方都有的，但是由于氣體球是對稱的，所以看到在其他方向上它們的壓力大小是相等的，但是方向相反因此都抵消了，隻有在徑向方向上面，由内向外的壓力超過了由外向内的壓力，所以它受到一個徑的向外壓力。

壓力和壓力差和所受到的引力相平衡，這樣子就保持整個恒星處于一個穩定的狀态，利用氣體所遵循的氣體狀态方程，就可以得到恒星溫度的準确值，恒星的内部是處于一個高溫的、高壓的狀态，很顯然這個時候的原子基本上都已經電離了，電離後的帶電粒子之間會發生非常頻繁的相互作用，因為這個物理狀态決定了它們的運動的方式。

當帶電粒子發生相互碰撞的時候會發生什麼樣的現象？

1920年英國的天文學家‘愛丁頓’，首先提出了恒星的能量來自于氫的聚變反應，這個反應的過程中當參與反應的原子核和另外一個原子核發生碰撞變成了一個新的原子核之後，有一部分能量被釋放出來了，這份能量出現的原因是因為在反應前後的質量是不守恒的，這就意味着發生了質量的虧損，損失的質量轉變成了能量，這個觀點在核物理的研究裡面得到了證實。

1937~1939年德國的‘魏茨澤克’和‘貝特’他們提出了利用氫原子核發生聚變的‘碳氮氧循環反應’，後來在1957年‘霍伊爾’、‘伯比奇夫婦’和‘福勒’他們4個人又提出了氫原子核的元素合成理論以及更重元素聚變反應理論。

熱核反應的原理是根據‘愛因斯坦’的質量和能量的公式，質量和能量是等價的，所以當發生核反應的時候反應前後的質量有變化就伴随着能量的産生，但是并不是所有的核反應都會釋放能量的，釋放取決于反應前後生成原子核結合能的大小。

原子核結合能的大小，從質量最低的氫原子核到質量比較大的鐵原子核，在變化序列裡面結合能基本上是按照上升的趨勢在變化的，鐵原子之後元素的結合能開始下降了，核反應因為這個特點可以分成聚變反應和裂變反應兩種。

• 聚變反應：結合能小的原子核結合變成較大的原子核。
• 裂變反應：結合能小的原子核裂變成結合能較大的原子核。

恒星内部所發生的是聚變反應，最簡單的就是由氫的原子核來聚變變成氦的原子核，在天文學上往往把核反應形象地用燃燒或者是核燃燒來表示，但是天文學上的燃燒跟我們通常所謂的燃燒在物理含義上是完全不一樣的，核燃燒是指核的聚變反應，而我們日常生活裡面的燃燒是化學反應。

在恒星内部所發生的燃燒過程最常見的是氫原子核的聚變反應，也就是由4個氫的原子核，更準确地說是4個質子聚變成為一個氦的原子核，在這個過程裡兩個正電子被釋放出來了，還有一個中微子也被釋放出來了，主要的能量是以光子的方式來表達的，之所以有能量釋放出來因為在反應前後有了質量虧損。

氫的燃燒或者核反應的過程雖然非常簡單，但真實的核燃燒過程是相當複雜的，當氫原子核通過核反應生成了氦原子核之後，物理條件能夠使得氦原子核繼續進行反應的話，那麼它會通過三個氦原子核進行聚變生成一個碳的原子核，這個是氦燃燒的過程，同樣也會釋放能量，氦原子核發生核反應所需要的溫度氫的原子核核反應的溫度要高很多。

由氦就可以生成碳原子核，接下來依次是更重的元素進行核反應，從碳燃燒可以生成鎂、鈉、氖、氧等等元素，然後再到氧的燃燒産生硫、磷、矽等等這些元素，接下來進行的是矽燃燒可以生成鎳、鐵等等元素，所以依次進行的核反應就可以不斷地釋放能量來供給恒星使得恒星能夠放光

上述提到的核反應并不是在恒星的星體裡面發生的，隻是在恒星最中心的區域裡面進行，因為隻有在這個區域裡面粒子所具有的溫度、密度和壓強才可以使得它能夠進行聚變的反應，所以恒星能夠使用的燃料隻集中于它最核心的區域，通常稱這個區域叫做‘核反應區’或者‘核心區’。

不同的重元素燃燒對溫度的要求是不一樣的，越重的元素它需要越高的溫度才能夠進行燃燒，但從恒星角度來講越往中心它的溫度是越高的，所以在核心區域進行核反應的時候，根據溫度的從低到高的變化，越晚形成的越重元素越靠近恒星最中心的區域，越早形成比較輕的元素就分布在比較外的區域，從内向外元素的質量是從高到低進行排列的。

當恒星的最核心區域形成了鐵，在接下來的聚變反應就不可能再進行了，因為鐵原子核的結合能量是最高的，所以不可能通過聚變反應再釋放能量，當恒星内部形成了鐵這個時候核反應在核心區就停止了，恒星的生命在這個時刻也即将結束了。

「周年視差」這個原理非常簡單，但是在觀測天體上有很多的困難

恒星宜居帶與行星宜居帶的差異

當今宇宙學的未解之謎：暗物質是星系保持完整形态的關鍵因素

【作者：黃姤】

#大有學問##科學燃計劃#

更多精彩资讯请关注tft每日頭條，我们将持续为您更新最新资讯!