太阳物理(二)精要.pptx

三、太阳内部结构及太阳中微子之谜 标准太阳模型 现阶段，即主序阶段的太阳向外的辐射压与重力平衡，整体处于流体静力学状态。假设太阳是球对称的，在质量和化学组成已知的情况下求解下列方程组，就可以得到标准太阳模型： （1）流体静力学平衡方程 （2）质量连续性方程 （3）能量守恒方程 （4）能量传输方程 结合：物态方程，产能率公式，不透明度公式 边界条件：在中心处质量为0，光度为0；在表面处质量为太阳质量，温度、压强为0。 标准太阳模型 标准太阳模型给出了太阳中心到表面各点处的压强、密度、温度、质量、光度、产能率、不透明度的分布。 太阳内部结构 标准太阳模型给出的太阳内部结构： （1）核反应区 （2）辐射区 （3）对流区 核反应区 太阳核心0.25 Rsun的区域； 中心密度160 g cm-3 压强3300 亿大气压 温度1500 万度； 太阳对外辐射的能量 的99%来自该区域； 核反应导致的质量 减少为每秒500万吨； 氢氦比例由3：1变 为1：2 辐射区 从 0.25 Rsun到 0.8 Rsun的区域，在 0.8 Rsun处温度降为 70万度，密度降为 0.018 g cm-3 该区域主要通过光子 的吸收再发射传递能 量，辐射压远大于 气压： 高能光子→X射线→远 紫外线→紫外→可见光 对流区 范围：从 0.8 Rsun到接近 1.0 Rsun的区域，差 500 公里到太阳的可见的发光表面。 太阳表面以下的区域是看不见的，或者说是不透明，传统的遥感手段无法探测。 研究方法：理论研究， 日震学研究 密度、温度梯度很大。 气压远大于辐射压 和磁压。主要靠对流 传输能量 （烧开水） 特点：底层和顶层存 在物质交换。 光子在太阳内部的传播路径 在核反应过程中产生的光子从日心往外传播，如果不受到什么阻碍的话，只需要不到3秒钟的时间就可以传到太阳表面； 但是周围致密的物质和强烈的辐射，使得光子在传播的过程中会不断地与周围的自由电子碰撞（汤姆逊散射），每碰撞一次就改变一次方向，一个光子从日心出发最终抵达太阳表面所需要的时间 将是不可思议地长！ 这个时间可以运用随机行走的公式估计 获得： 随机行走路线图 起点 终点 光子平均自由程 光子的平均自由程由下式给出：λ = 1 / (σT Ne ) σT = 汤姆逊散射截面 = 6.65 × 10-25 cm2 Ne = 电子平均密度。太阳由等离子体组成，Ne 与质子平均密度大致相同~ M? / (V? mp) = 2×1030 / ( 1.4×1027 × 1.67×10-27) = 8.6 × 1023 cm-3. 于是，λ = 1.8 cm。光子在太阳内部每前进1.8厘米就要与电子碰撞一次，改变一次方向，所需时间 = λ / c = 6 × 10-11 s. 为简单起见，我们假定光子在太阳内部做二维随机行走，那么从日心到日面需要走 这么多步：(R? / λ)2 = (7×1010 / 1.8)2 = 1.5 × 1021. 光子从日心到日面传输所需时间 ttravel = (R?/λ)2 × (λ/c) = 1.5.1021 × 6.10-11 s = 9 × 1010 s = 3000 年！ 计算方法不同，结果也有所不同，但是结论 是一个：每个光子从日心传播到日面需要 很长很长的时间！ 问题 每个光子从日心传播到日面需要非常长的时间，发生在日心的核反应的能量是如何能够迅速传到日面、并以光辐射的形式传播出去的呢？ 太阳中微子的研究及其意义 中微子（neutrino）是一种基本粒子，质量几乎为零，不带电荷，以光速运动； 几乎不与其它粒子相互作用，具有非常强的穿透力，可以很轻易地穿过排列在一起的好几个地球； 在地球上每平方厘米面积上每秒钟大约有600亿个中微子穿过，但是我们毫无知觉！ 一个光子从日心运动到日面需要几千年的时间，一个中微子只需要不到3秒钟！ 中微子可以将日心附近的信息毫无损失地带出来，让我们直接了解太阳的内部信息。 对我们研究太阳及恒星内部的物理性质非常重要。 太阳中微子的研究及其意义 发生在日心的两种核反应过程都会产生大量的中微子（电子中微子）： 质子—质子反应： （1H + 1H → 2H + e+ +νe）×2 （2H + 1H → 3He + γ）×2 3He + 3He → 4He + 21H 因为正电子一旦生成，就与电子湮灭成一对光子，上述反应的最终结果是： 41H + 2e → 4He + 2νe