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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12740 km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785032km）.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1.989×10²⁷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（LS）：大约3.827×10²⁶s^-1.

太阳的物质构成为：氢约占71％，氦约占27％，其它元素占2％.太阳在其主序星阶段已经到了中年期，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氦.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，使得由氢聚变为氦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——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.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9×10²⁰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2×10³³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，证实重原子核铀和钍等放射性元素，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氦原子核时也会放出能量.太阳内部到底是重原子核衰变放出的能呢？还是氢核聚变为氦放出的能量.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α粒子放射出来.但量子力学认为微观粒子有隧道效应，α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α放射性来说，α粒子有点像监狱的逃犯，打洞穿墙逃出墙外.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—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.