太阳辐射的能量来源

太阳是一颗典型的恒星，它每秒向宇宙空间发出。

自古以来，太阳为何会发光发热，一直是人们关注的问题。曾有人认为，太阳是依靠燃烧煤来发光发热的，但经过计算，如果太阳是一个大煤球，按照太阳的总辐射能量3.75x10^26J，只够太阳发光发热1500年。后又有人提出，太阳是依靠物质向内部“掉落”，即重力势能转变为动能，再转变为热能来发光发热的，但这样一来，太阳就必须因为不断的收缩而越来越小，但没有观察到这一现象。且即使这样，也只能维持太阳以观测到的能量辐射一千多万年。

上世纪20年代末，随着元素放射性的发现，英国物理学家亚瑟·爱丁顿提出，太阳的能量只能来源于氢的核聚变反应，并在30年代出版的《恒星的结构》一书中详细论述。但经过计算，要使氢发生核聚变反应，太阳中心的温度必须达到上亿度才行，而太阳中心的温度只有约1500万度，不足以引发氢的核聚变反应。

上世纪40年代，来自前苏联的美国物理学家乔治·伽莫夫应用德国物理学家维尔纳·海森堡的量子物理不确定性原理（也称测不准原理），解释了原子核的放射性。下图是其“火山口模型”简图。

在原子核尺度上（这一尺度大约是10^-13厘米），所有粒子都要受到强相互作用力这一短程力的作用，无法离开原子核，就像是落入了火山口的内部。而在原子核尺度以外，强相互作用力迅速减小，粒子主要受电磁力这一长程力的作用。一个粒子，若要从“火山口”中离开，就必须具有足够的能量克服把核内粒子束缚在一起的强相互作用力。而在稳定的原子核内部，没有哪个粒子能够具有这一能量，但依据测不准原理，在不稳定原子核中，粒子可以从周围的其它粒子那里暂时“借”到一定的能量，达到“爬上火山顶部”所需的能量，从而离开原子核。就好像是在火山内部打了一条隧道一样，粒子可以通过这条隧道直接离开，而不用“费力去翻山”。这一量子效应被称为“隧道效应”或量子隧穿效应。

美国物理学家富勒认为，隧道效应也可以反过来用，即既然原子核内的粒子可以借助于“隧道”而脱离原子核，那么原子核外面的粒子，也可以借助于“隧道”而进入原子核。于是，他把隧道效应应用于太阳能量的产生，终于计算出，在太阳内部，氢的核聚变反应能够在1500万度的温度下发生。

现在我们知道，包括太阳在内的所有恒星，都是借助于“隧道效应”，时刻发生着各种核聚变反应，并借此发光发热的。?

根据爱因斯坦的质能公式E＝mc^2计算，每“燃烧”1千克氢，就能放出6.4×10^14焦耳的能量，相当于燃烧19000吨煤所产生的能量。按照太阳目前的总辐射量计算，每秒钟有6亿多吨的氢被转化成氦。这听起来很多，但其实只是太阳质量的很小一部分。太阳质量若取整数，大约是2×10^33克，或2×10^27吨。太阳每秒把6×10^8吨的氢转变成氦，每年“烧”掉不到2×10^16吨的燃料。按照这样的消耗速度，100亿年也只用掉2×10^26吨的氢，只有太阳总质量的10%。太阳在50亿年的漫长时间中，只消耗了不到5%的质量。太阳上，氢元素占元素总量的70%，氦占28%，其它元素只占2%。对于一颗恒星来说，虽然氢所占的量下降20%，该恒星就会显露出“老态”，而按照目前太阳因核聚变反应速率计算，太阳足可以稳定地“燃烧”上3.32×1017秒，约10^10年，即100亿年，因此说太阳现在刚到“中年”。它还可以稳定“燃烧”50亿年以上。

那么，氢的核聚变反应过程究竟是怎样的呢？

在恒星内部，发生着两类氢核聚变反应。一类是“碳氮氧循环（或称CNO循环）”，其过程如下：

解释一下。首先是C12（碳元素最稳定的同位素）接受一个质子（氢原子核），变成N13。N13不稳定，放出一个正电子和一个电子型中微子，衰变为C13。C13接受一个质子，放出一个γ光子，变成N14。N14再接受一个质子，放出一个γ光子，变成O15。O15不稳定，放出一个正电子和一个电子型中微子，衰变为N15。当N15再接受第四个质子时，生成的新元素不是O16，而是分裂为两个部分，一部分是有两个质子、两个中子的氦核，另一部分是原先的C12原子核，开始另一次循环。在这一类反应中，并不要求所有参与元素同时存在。只要有其中一种元素存在，新的、其他的元素就可以通过核反应产生出来，并完成整个循环。

总的效果是：通过一个循环，四个质子组合成了一个氦原子核，产生了三个γ光子、两个正电子和两个电子型中微子。两个正电子与电子发生湮灭，再产生新的γ光子。能量由此产生。

另一类氢核聚变反应是“质子－质子链式反应（或称为P－P反应）”。其过程如下：

解释一下。以下各步反应为：

1H + 1H → 2H + e+ + νe

2H + 1H → 3He + γ

3He +3He → 4He + 1H + 1H

其他还有几个分支反应，涉及到锂、铍、硼等，就不再细说了。

按照美国物理学家贝特的计算，以上两类核反应都可以在恒星内部所具备的温度和压强条件下发生。但在太阳上，主要是发生第二类核反应，即P－P链式反应。它所需要的反应温度是1500万度。而CNO循环则需要更高的温度，大约是2000万度。

目前，科学家们已经把恒星中从氢开始，聚变到铁的所有元素的产生机理都了解清楚了。而元素周期表上，铁以后的元素就不是依靠正常恒星的元素的核聚变反应生成的，而是在大质量恒星演化后期的超新星爆发中生成的。这是另一个故事了。