chaer高中物理太阳与恒星的结构

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太阳的活动状元365答疑网中小学在线互动答疑领导品牌§2.1太阳的物理性质状元365答疑网中小学在线互动答疑领导品牌基本数据质量 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状元365答疑网中小学在线互动答疑领导品牌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%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状元365答疑网中小学在线互动答疑领导品牌§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+E

τ≤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.Eddington(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/A

Z—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+γ

③3He+3He→4He+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＞108K 34He→12C+γ①4He+4He↔

8Be②8Be+4He→12C+γ状元365答疑网中小学在线互动答疑领导品牌碳燃机烧T＞6窑×1按08K12C铸+12C读→24Mg蛇+γ→23Na蚀+炎p→20Ne列+4He→23Mg拦+录n→16O虎+屑24He氧燃厚烧T＞1态.5移×1亦09K12O歌+12O奶→32S朴+γ→31P目+网p→28Si完+4He→31S送+滥n→24Mg领+犬24He硅燃耀烧T＞1亩.5剂×1汇09K28Si+28Si搭→56Ni常+γ56Ni最→56Fe锦+乡丰2乒e++皮2νe状元敌36灿5答蝴疑网中小奴学在氏线互稳动答察疑领凳导品膨牌当恒增星内纸部形紫成Fe后，舍由于Fe的聚帝变反赞应吸碰热而仓不是桃放热亡，恒伪星内商部的匠热核隙反应蔑由此羽停止翻。太阳量中微捡子问娃题(Th悬e茧So持la卸r押Ne幕ut臂ri撕no挠P笋ro丛bl锹em薯)中微严子是痒一种宁不带乘电、蔽质量兵极小嗽的亚四原子涛粒子谜，它陕几乎粉不与经任何腹物质禁发生附相互寨作用相。太阳茶内部H核聚希变释邻放能甘量的壁5%故被中竟微子帅携带拜向外陈传输绪，每故秒大乞约有效1015个中及微子愉穿过林我们肺的身浴体。目前出接收质到的娇太阳高的辐恐射（眼光子讯）实辽际上稻产生伙于~治105-1朽07年前竖的太反阳内赢部，衬而中摧微子吐则是说在当脊时产非生的慕。状元娱36仰5答贫疑网中小耀学在头线互于动答夏疑领纤导品怠牌光子番在太偿阳内本部的梨无规亲行走(ra己nd付om离w全al盒k)Sp吵ec昨tr耕um婶o仆f渗So荡la填r绕Ne漫ut追ri话no维sWa浇te荒r太阳述中微扎子的垮产生H歼+类HD条+栋po岛si疮tr谷on痰+ne予ut勾ri饰noH雄+飞H仙+幸el宽ec国tr衬onD疫+ne络ut命ri拔noD盾+你HHe辱3翠+低ga御mm恳a侍ra药yHe别3狸+暖He占3H统+翻H穿+刮He怀4He初3销+井He刺4Be锤7厕+突ga贿mm乐a满ra胁yBe想7算+焰po野si仍tr跌onLi汇7参+ne乐ut帖ri傅noLi录7盛+窜HHe款4车+换He个4Be畜7翼+盒HB8吓+捕g雀am破ma从r梦ayB8Be什8*看+扬p孕os增it咬ro耗n爆+ne音ut叉ri著noBe弹8*He兰4适+衫He疮4状元毅36突5答捷疑网中小芬学在抹线互铅动答醉疑领摧导品停牌太阳异中微薯子的冻探测原理(1汽)来中微义子与C2Cl4相互嗽作用37Cl+ν巡寿→37Ar界+碧e(2赛)37Ar俘获洞内壳典层电抢子37Ar+彼e设→37Cl灭+ν(3菜)37Cl退激端发释禁放光慨子Ho厅me啄st脊ak轿e金矿四中微漆子实枝验室1.轧6kmC2Cl4中微逝子探袋测器宇宙昂线ArArgonAtom10逗0,臭00猴0ga富l.止t隆an烫k金矿ArSu管db维ur窝y尝Ne寻ut度ri赤noOb绣se失rv衔ot陡ar烧y(S督NO删)悲in皱C烂an梯ad脸aSu臣pe汗r-Ka乘mi废ok狂an桑deNe掏ut眯ri毯noOb通se晒rv眉ot摘ar仁yin黄J督ap先an太阳旧中微丸子探逐测器太阳屋中微侍子失池踪案实际仰测量京到的老太阳托中微迁子数狭目只绞有理擦论计撒算值强的约愈2/茶3。可能射的原睛因：太阳搂内部旧结构喉与成衫分与陶太阳身标准笛模型蜻差异中微裹子物烈理—理—中求微子稠振荡电子梨中微宣子、μ中微以子和τ中微腿子。状元邮36裤5答捆疑网中小宰学在每线互嫌动答数疑领妙导品便牌揭示母中微吹子失饲踪之帽谜Me怨as妙ur卸em址en赔t饶of包t割he球r尺at锣e直ofνe+鹿dp称+惭p眼+轮e－Q.未R.睛A循hm杨ad免e护t再al适.另(1彩78刮p倾er甚so筐ns路)20峡01抛年，SN枣O的观省测结场果证停实中兆微子劈燕事实勿上没肤有失泻踪，葡只是宣在离彼开太邀阳后蒙转化圈成μ中微胖子和τ中微司子，斧躲过伐了此狂前的蕉探测湖，这愤间接存证明猛中微悦子具关有质糕量。Di绸re韵ct伐E剑vi菠de使nc喇e嫁fo病r响Ne絮ut帐ri摄no圾F炉la酷vo视r疾Tr哥an蚀sf灭or桌ma有ti般on始f盛ro职m货Ne是ut能ra缩慧l-昨Cu境rr撇en全t遣In窜te扶ra抽ct兆io灶ns虏i品n便th辟e思SN敏OQ.活R.贞A欺hm羊ad炮e季t阔al装.亦(2类00条2)Th锅e党nu预mb州er锋o弄f牧el雅ec浴tr锈on劈燕-n盛eu狼tr旁in聪os穗o科bs寸er规ve贤d婶is鬼o尽nl抖y气ab靠ou惊t芹on扛e鸭th惨ir湖d里of伏t耍he茶t草ot脏al拖n赌um替be纵r蛋re将ac越hi晴ng垦t斧he山E届ar言th轧.绣Th真is铁s劲ho沫ws柄u吊na隙mb药ig师uo屑us忆ly心t成ha柏t映el交ec促tr恒on楚-n堆eu狱tr索in带os兽e继mi故tt呆ed泽b佳y坟th梯e拦Su绢n传ha宴ve昼c优ha公ng蹲ed炭t是omu盼on-筝orta乒u-n确eu束tr干in民os揪b阵ef咸or图e山th逢ey摧r貌ea垒ch菌E漂ar戴th个.§2锄.3抢太下阳内烤部热平勺衡能量扫传输湾的三遍种形菌式：屿辐射碰、传日导与挂对流阔。太阳忧核心段区产浩生的寄能量孕主要谎通过浓辐射挺与对全流向雀外传墓递。辐射超(ra庭di雾at稀io楼n)辐射音传热伙：恒僻星内再部的秋冷物绳质通瓣过吸仁收热组区的涌光子仔而加斤热。辐射娱平衡声：如葡果恒批星内芳部产木生的训能量傅全部腔由辐彻射向翠外传礼递，协则称弦恒星衔处于锈辐射休平衡夕。辐射念平衡者下的胞温度畜梯度黎为：其中κ为不粱透明溉度系剪数。不透悠明度昨来源直：电子辣束缚弓-束姑缚跃阶迁（师原子棉吸收膏线）电子洒束缚岗-自越由跃夺迁（乎光致闹电离篇）电子奶自由竭-自怕由跃部迁牙（轫鹅致辐闸射）不透净明度仰对恒煤星结菜构的侨影响κ↓→dL↑→Tc↓→P↓→R↓→κ↑κ↑→Tc↑→P↑→R↑→κ↓状元腥36泰5答的疑网中小剧学在去线互帖动答惜疑领平导品育牌对流轮(co原nv戒ec颂ti允on择)：气体侦在冷渗热区因域之掉间的衫大规坚模的巧循环植流动产生眉对流强的物马理条公件随着齿恒星金内部圣的不犹透明浪度或豆产能称率增悄大，领辐射蚀温度服梯度抚值增逢大，度辐射解不再屯是传殖递能酬量的变有效今方式庸，或脊辐射业平衡懂是不极稳定质的，瓣这时想在恒载星内欺部产挖生对茅流。对流辜传热离的物转理过盘程热气创体膨携胀上桂升，笑冷却例后下浮沉，尾形成僵物质天流动蛛的循敢环和支热量拍的传双递。对流昆不仅泻传递藏能量仓，还婚起着艘混合玩物质禁的作午用。对流钱平衡搂下的备温度γ—绝热称指数2.烘恒星洲中的毁辐射色和对乡丰流区判据辐射津区车|dT/dr(ra反d)笑|爽<晚|dT/dr(co偷nv)|对流续区扫|dT/dr(ra才d)翅|哨>繁|dT/dr(co裕nv)|由辐批射平龄衡下枣的温销度梯樱度知奋对流半区出漫现的味条件君：温度甩低或出产能眠率高稿。状元站36亚5答阶疑网中小奖学在敌线互伶动答忙疑领谅导品在牌(1鱼)盛低质昂量主裁序星牲(M<羞1.窗5-去2M⊙)辐射叔区秃＋养对流离包层核心且区ε~T4→能量榆产生建于较蛇大的顶内核包层产：T↓→κ↑状元术36脑5答万疑网中小伞学在瘦线互蒙动答译疑领期导品邪牌区域R/R(0)T(K)ρ(g/cm3)能量传输核心区0.0-0.25~15,000,000-8,000,000~160-10辐射辐射区0.25-0.85~8,000,000-500,000~10-0.01辐射对流区0.85-1.0~500,000-10,000<0.01对流太阳飞内部徒的辐友射与拔对流候区(2雾)恼大质资量主疏序星破(M>1显.5摔-2M⊙)对流搞区茫＋与辐射迷包层核心挡区ε~T17→能量省产生西于很糟小的袍内核喷区（斜对1吉0M⊙恒星酒，5璃0%诱的能蜜量产守生于重包含谣2%涂质量睛的体竟积内卵）。(3宪)颈极低宵质量有主序姑星腥(M<肌0.嗓8M⊙)低温整体置对流3.物态气体灵内部笑的总扫压强左主要挪由两攀部分回组成愤：气体拼粒子灰运动向产生富的气帐体压束强和叙光子敢产生枝的辐杠射压卖强P＝Pg＋Pra送d非简移并气慎体妻(no欣n-跌de生ge联ne腥ra叨te轨g酒as要)理想螺气体偷状态茎方程Pg＝nk灵T＝ρkT/μmH其中μ:平均狠分子缎量窑，mH:产H原子昨质量对完馒全电巴离等迈离子伶体：Pg＝ρkT(2X＋3Y/4禾＋Z/2)丈/mH辐射助压Pra浪d＝aT4/3简并孕气体渔(de吉ge短ne小ra曲te株g词as冲)(1究)筑电子咐简并升条件妇：高斑密、跃低温爱。(2坚)合电子轧简并恋压的谷物理蜓成因夕：Pa晨ul羞i不相百容原艇理：墨电子监不可恋能占翻据两软个相长同的论能态He帅is炎en坊be演rg测不风准原舱理△X△酿PX＞h(3橡)层电子裳简并维压非相差对论剧性电休子（v<<c）:Pe~ρ5/月3相对五论性哲电子沫（v≤c）:Pe~ρ4/摆3抗压却缩性奋，与旨温度男无关(4胃)是离子判压强PI＝ρkT(X＋Y/4)过/mHDe潜ge炕ne骆ra群cy§2粪.4艇标寇准太愚阳模陕型恒星然内部凭的平欺衡条床件(1菠)匹质量客连续士性方纯程考虑忆质量语为M、半径疮为R的气历体球睁，半径款为r、厚度从为dr的球缓壳所内包含趋的质舟量为叠：dM(r)＝萌4πr2ρdr→dM(r)/dr＝4πr2ρ(2眼)肾流体允静力肾学平馆衡对半涝径为r、厚度肚为dr的球瓣壳内愚面积瓶为dA的气术体元朗，重力dFg＝－GM(r)dM/r2＝－GM(r)ρdAdr/r2压力dFP＝PdA－(P+dP)dA＝－dPdA0＝dFg+dFP＝－GM(r)ρdAdr/r2－dPdA→dP/dr＝－GM(r)ρ/r2(3择)睡能量冷守恒L(r)—单位择时间比通过扑半径绝为r的球鸣面的稻能量ε(r)—单位困物质绝在单洗位时勺间产锣生的好能量半径催为r、厚度瓜为dr的球咐壳两闷侧的虎能量幼差dL＝L(r+dr)－L(r)宫＝εdM＝4πr2ρεdr→dL/dr＝4πr2ρε(4严)出能量期的传春输dT/dr=dT/dr|ra左d+dT/dr|co尖n恒星扫模型鼠(St性el川la邀r甚Mo犯de汗l)假设乱恒星渐是球家对称日的，给定冶恒星停的初享始质抱量M和化身学组拢成X,Y,Z，对某筑一特锦定半旺径r处的辱球壳吴，求休解由菌：流体触静力室学平茫衡方惧程，质量奋连续丙性方额程，能量背守恒沸方程浑，能量萄传输印方程启，和物态歪方程横（理院想气俯体、装简并垂气体吹），产能夫率公逼式，不透贸明度鸦公式匹，组成富的方乎程组皂，以及递边界个条件趋：当r＝0时，M(0拢)＝胃0，L(0赤)怕=阳0;当r＝R时，M(R)＝M,T(R)障=窜0,P(R)塌=桥0可以拖得到负：恒星蕉的结驶构，搭即恒参星从腥中心仇到表初面不竭同半侨径r处的压强P、密度ρ、温度T、质量M、光度L、产能假率ε和不颗透明辈度κ等。标准勿太阳魄模型市(Th照e盯St尝an冲da钻rd租S科ol眯ar告M忠od识el减)日震壤学啄(He舰li抢os寇ei阵sm挺ol棍og竿y)太阳孟的内汽部扰仍动产破生压纲力波检（声啊波）职。在太浸阳表嫁面，仍声波们表现覆为表松面物敬质的颠上下害振荡揪（幅辩度~虎几千央米，础周期逮~5斤-1拳0分否钟）窄。太阳命振荡惑造成女谱线教位移者。利用近太阳爽表面熔的振遵荡可咱以研仓究太赢阳的愉内部香结构耽。Th爪e诵So景la垄r惹an志dHe奴li嚼os艘ph慢er若icOb粪se殃rv荐at牙or己y，19格95年12月2日发伍射，研究康太阳摩的内姻部结错构、喝外层评大气屿和太晴阳风拐的起某源。恒星绣质量除-光漫度关蒸系的樱解释质量缩慧越大嫂的恒揭星引惕力越巧大。流体涂静力行学平匙衡要权求内伶部压召强越住大。状态册方程告表明拴内部菊温度助越高格。产能串率越驴高。光度钻越高暖。恒星葛的结均构与废演化由于逝核反恒应的恋进行属，恒菊星内抛部的椅化学僚组成唤发生粮变化员，如筹经过Δt时间H元素什丰度乒的变惠化为ΔX∝-εΔt。将新例的化究学组悟成作线为初剑始条书件重跌新代挠入上怜述方蛙程组绣求解伟，得蝇到恒千星在洲时间比后的巡寿结构符。依水次类掩推，触可以经求得膝恒星餐的结裙构随塌时间够的变芝化，聚即恒晕星的额演化马。状元妙36宗5答牧疑网中小阴学在土线互咬动答洪疑领兽导品秀牌§2抛.5加太蓄阳大付气光球可见萌光辐貌射区享，半径愤约7读00瞎,0月00km密，温度崇约6芝00有0K，利用细吸收冻光谱践确定是了6迅7种疗元素痒的化歼学组孙成。状元黎36诵5答山疑网中小归学在仆线互扬动答食疑领影导品灵牌米粒宅组织光球德上的师明亮翅斑点宅，平均刃直径妥约1盟00域0km棋，寿命拴约5炒-1副0分河钟，米粒腊比光导球温贷度高班30项0-球40抚0K，由光革球下招面的远气体位对流鱼造成哄。色球位于饮光球绕上方保，厚闭度约脑2,倒00高0亩-墙30雹00km离，密度却稀薄鸡，光械度较重低，兽产生树发射警线，仅在臂日全罪食时碌才能仿观测运到。日冕太阳猾大气鞭的最肢外层涂，温度~106–灰107K，非常乎稀薄珠的电根离气燃体。日冕贤的高刺能辐乳射紫外X射线太阳看风太阳胸释放淋的快恼速带脉电粒个子流役。太阳脸风源做于日叙冕的赢高温辉。质量庙损失妇率~厦1012gs-1。太阳混风主滴要通捉过冕殊洞向数外流娃失。Ca育nn痒ib等al亚C汉or刷on伸al员M烟as级s谋Ej皱ec恰ti房诚on稼sFa颂st尿-m顾ov熄in完g们so活la犬r驾er卖up症ti雅on层s贸th洲at捕o破ve驴rt李ak刘e垫an锯d谅de陕vo表ur可t谜he械ir颠s童lo测we孤r-狱mo乌vi轿ng雕k篇in哲c惩an旗t浓ri齐gg腥er添l起on驶g-公la菠st扭in煤g观ge集om参ag晓ne罢ti淋c胸st爷or臭ms坟w林he惰n忆th晒ey锋s址tr辛ik员e榜Ea柔rt圆h'也s选ma诊gn资et坐os蹦ph锻er塌e.A傲co上ro薪na藏gr绘ap好h炼on啄b具oa衬rd械t遵he耕E直SA编-N峡AS岭A租SO露HO爬s肉pa典ce槽cr严af壶t齿ca层pt拘ur增ed降t旗hi摧s公ex敲am容pl违e经of垄C博ME谱c紫an百ni棕ba购li忌sm粘i腿n岂ac肝ti醋on卡o炎n孙Ju弱ne络6树,为20淋00沿.Th铲is雀s沾eq飞ue孙nc课e姐of用i灾ma颠ge挨s沟is就f规ro探m鉴a知co链mp快ut帮er秤a辛ni歉ma南ti角on土i弓ll邪us室tr膨at况in扬g付an煤a争rt绸is泽t'姥s怠co叼nc盒ep谁t汪of蹄C钩or伶on织al刚M蛙as拜s铲Ej界ec鸽ti耕on切(驼CM替E)樱c混an那ni浩ba怀li院sm责.梢Cr胡ed奸it貌:师NA蜻SA咸,税Wa吩ltFe秩im愿er,韵Ma码x-渠Q挨Di作gi怖ta寺l火Gr植ou姨p,膏H矩on蚂ey教we拆ll太阳腥风与业极光地球弯磁层§2坊.6蜡太职阳的糕活动太阳申黑子光球阀上不劲规则星的黑档色区秀域，拖大小丙约1皂0,乡丰00义0千烟米，叉温度薄约4琴00咱0服–4纺50振0K。通常话成群第出现乐。太阳浸黑子妨的变摧化黑子抵的持起续时尚间为呼几小觉时到篮几个慈月。利用鹅黑子鞭在日领面的祖运动罚可以话确定时太阳险的较汉差转镜动。状元婆36颈5答勿疑网中小管学在彼线互息动答鉴疑领隶导品舒牌太阳鬼黑子质的变岩化黑子捞数的厕平均吹变化借周期颂大约混为1饭1年伴。在此运期间谅黑子扬逐渐印向赤桨道方量向运合动。太阳痕黑子伟与磁歌场Ze猎em洗an效应磁场指→谱鱼线分漫裂，笨谱线驰分裂串程度委→磁劈燕场太阳秋黑子践处的悔磁场冲比周片围区烫域磁激场强晴10殖00狸倍左颈右。黑子唱与太需阳磁堡场较差别转动熔导致晒太阳高磁力踩线缠携卷。状元阳36债5答猾疑网中小砖学在廊线互服动答弹疑领猾导品准牌黑子援与太瓶阳磁姑场磁场尺穿透伶太阳劫表面谈，黑子萍形成宜。状元分36往5答仆疑网中小仰学在穗线互豆动答筹疑领守导品妈牌Wh揭at潜L妄ie竟s泉Be古ne简at堂h图a但Su须ns重po义t鬼?Us帆in控g在te圈ch扬ni泄qu卖es础s邻im帅il须ar屈t萍o赏me皮di石ca绵l站ul皇tr罚as佣ou子nd孩d茅ia隶gn