恒星发光发热原理解释论文.doc

恒星为什么发光发热？物理102 李姚摘要：恒星诞生于以氢为主，并且有氦和微量其他重元素的云气坍缩。一旦核心有足够的密度，有些氢就可以经由核聚变的过程稳定的转换成氦。恒星一生的大部分时间，都因为核心的核聚变而发光。核聚变所释放出的能量，从内部传输到表面，然后辐射至外太空。几乎所有比氢和氦更重的元素都是在恒星的核聚变过程中产生的。关键字： 恒星 主序星 核聚变一、恒星的组成的演化简介 讨论恒星发光发热的原因之前我们有必要先了解一下恒星的主要成分和演化规律。恒星是大质量、明亮的等离子体球，其中各类元素的含量氢最多，氦次之，其余按含量依次大致是氧、碳、氮、氖、硅、镁、铁、硫等。恒星的演化开始于巨分子云。在巨分子云环绕星系旋转时，一些事件可能造成它的引力坍缩，在这个过程中，气体被释放的势能所加热，而角动量守恒也会造成星云开始产生自转之后形成原始星。原始星的中心温度达到一千万开氏度时，氢会开始聚变成氦，恒星开始自行发光。核心的核聚变会产生足够的能量停止引力坍缩，达到一个静态平衡。恒星从此进入一个相对稳定的阶段主序星。积热的核心会造成恒星大幅膨胀，达到在其主星序阶段的数百倍大小，成为红巨星。在形成几百万到几千亿年之后，恒星会消耗完核心中的氢。大质量的恒星会比小质量的恒星更快消耗完核心的氢。在消耗完核心中的氢之后，核心部分的核反应会停止，而留下一个氦核。恒星演化失去了抵抗重力的核反应能量之后，恒星的外壳开始引力坍缩。核心的温度和压力像恒星形成过程中一样升高，但是是在一个更高的层次上。一旦核心的温度达到了1亿开氏度，核心就开始进行氦聚变，重新通过核聚变产生能量来抵抗引力。恒星质量不足以产生氦聚变的会释放热能，逐渐冷却，成为白矮星。在超出5倍太阳质量的恒星的外壳膨胀成为红超巨星之后，其核心开始被重力压缩，温度和密度的上升会触发一系列聚变反应。这些聚变反应会生成越来越重的元素，产生的能量会暂时延缓恒星的坍缩。最终，聚变逐步到达元素周期表的下层，硅开始聚合成铁。在这之前，恒星通过这些核聚变获得能量，但是铁不能通过聚变释放能量，相反，铁聚变需要吸收能量。这会造成没有能量来对抗重力，而核心几乎立刻产生坍缩，在几分之一秒内造成一次剧烈的超新星爆发。此后根据情况不同会产生新的恒星、行星、卫星以及更多其它种类的天体，甚至产生中子星、黑洞。二、恒星发光发热的内部分析前面提到，恒星的主要成分为氢元素，正因如此恒星发光发热的主要原因便是星体内部氢元素热核反应。我们先讨论主序星阶段的核聚变反应。恒星的核聚变中4个氢聚变成1个氦，其中2个质子放出正电子变为中子。 元素氢之所以能变成氦，是由于恒星外层的氢原子核吸收了恒星内层高温和高压条件下被挤压而破裂的氢原子核所释放出来的质子、电子，壮大了原来的氢原子核的质量以及原来氢原子的质量而变成了氦原子。不要以为恒星的核聚变发生在最核心，所有恒星的核聚变发生在恒星类似于行星地幔的层次之间，也就是距离恒星核与恒星表面基本相等距离的半径上，恒星的燃烧是从外向内燃烧的，在距离恒星核与恒星表面基本相等的半径上，恒星的燃烧最剧烈，温度大概是2000万度左右，恒星核是已经降低了不少温度的被聚变出来的液态铁，在靠近恒星最核心的位置上还有碳、硫、磷、硅等，外层主要是硅。正是由于恒星内部的聚合反应释放大量能量，辐射出大量光子，因此引起了恒星的发光现象，所以说太阳光其实是以电磁波形式辐射出来的。由于恒星的高速自旋，因角动量守恒产生向内压缩的力，而处于主序星阶段的的恒星内部核反应向外膨胀的力，两个力大致平衡，而不断的压缩以及核反应产生的热量使得恒星产生大量的热。主序星演化晚期，由于恒星的自旋运动加剧，逐渐加快了核心部分的塌陷，又由于氢元素的消耗，热核反应减缓，温度降低，核反应趋于停止，内部气体进一步被压缩，内部气体急剧压缩产生大量的热，核聚变再度开始，而且更甚于以往，恒星迅速向外膨胀，形成超红巨星，至于红巨星以后的反应则大致与前面所诉相近，但更多较重的元素的核聚变也同时在进行。大质量恒星经过一系列核反应后，形成重元素在内、轻元素在外的洋葱状结构，其核心主要由铁核构成。此后的核反应无法提供恒星的能源，铁核开始向内坍塌，而外层星体则被炸裂向外抛射。爆发时光度可能突增到太阳光度的上百亿倍，甚至达到整个银河系的总光度，这种爆发叫做超新星爆发。超新星爆发后，恒星的外层解体为向外膨胀的星云，中心遗留一颗高密天体至于恒星演化后期的核反应这里不再一一介绍。三、恒星的温度和亮度恒星的表面温度，与他的目视绝对星等和吸收特点，被用来作为恒星分类的依据。大质量的主序星表面温度可以高达50,000 K，像太阳这种较小的恒星表面温度就只有几千度。相对来说，红巨星的表面只有3,600 K的低温，但是因为巨大的表面积而有高亮度。恒星表面的温度一般用有效温度来表示，它等于有相同直径、相同总辐射的绝对黑体的温度。恒星的光谱能量分布与有效温度有关，由此可以定出O、B、A、F、G、K、M等光谱型（也可以叫作温度型）温度相同的恒星，体积越大，总辐射流量（即光度）越大，绝对星等越小。恒星的光度级可以分为、，依次称为：超巨星、亮巨星、正常巨星、亚巨星、矮星、亚矮星、白矮星。太阳的光谱型为G2V，颜色偏黄，有效温度约5,770K。A0V型星的色指数平均为零，温度约10,000K。恒星的表面有效温度由早O型的几万度到晚M型的几千度，差别很大。恒星的亮度常用星等来表示。恒星越亮，星等越小。在地球上测出的星等叫视星等；归算到离地球32.6光年处时的星等叫绝对星等。使用对不同波段敏感的检测元件所测得的同一恒星的星等，一般是不相等的。目前最通用的星等系统之一是U（紫外）B（蓝）、V（黄）三色系统。B和V分别接近照相星等和目视星等。二者之差就是常用的色指数。太阳的V=-26.74等，绝对目视星等M=+4.83等，色指数B-V=0.63，U-B=0.12。由色指数可以确定色温度。参考资料：恒星是如何进行核聚变的（2010年）- （王