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16.E：太阳——核强国（演习）

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    为了进一步探索

    文章

    Harvey、J. 等人 “功：看看我们的太阳里面。” 天空与望远镜（1987 年 11 月）：470。

    Hathaway，D. “太阳之心之旅。” 天文学（1995 年 1 月）：38。

    Kennedy，J. “GONG：探测太阳的隐藏之心。” 天空与望远镜（1996 年 10 月）：20。 关于水震学的讨论。

    洛普雷斯托，J. “向太阳里看。” 天文学（1989 年 3 月）：20。 关于水震学的讨论。

    McDonald、A. 等 “解决太阳中微子问题。” 《科学美国人》（2003年4月）：40。 关于使用中微子探测器进行的地下实验如何帮助解释太阳似乎没有中微子的讨论。

    Trefil，J. “星星如何闪耀。” 天文学（1998 年 1 月）：56。

    网站

    阿尔伯特·爱因斯坦在线：http://www.westegg.com/einstein/。

    幽灵粒子：http://www.pbs.org/wgbh/nova/neutrino/。

    GONG 项目网站：http://gong.nso.edu/。

    Helioseismology：solar-center.stanford.edu/abo... eismology.html。

    普林斯顿等离子体物理实验室：http://www.pppl.gov/。

    解开太阳中微子的奥秘：www.nobelprize.org/nobel_priz... ysics/bahcall/。

    超级 Kamiokande Neutrino Mass Pag e：http://www.ps.uci.edu/~superk/。

    视频

    中微子的深层秘密：地下物理学：https://www.youtube.com/watch?v=Ar9ydagYkYg。彼得·罗森在斯坦福直线加速器中心发表的 2010 年公开讲座（1:22:00）。

    难以捉摸的中微子与物理学的本质：https://www.youtube.com/watch?v=CBfUHzkcaHQ。 2014 年世界科学节（1:30:00）上的小组讨论。

    协作小组活动

    1. 在本章中，我们了解到落入太阳的陨石不可能成为太阳能量的来源，因为太阳质量的必要增加将使地球的轨道周期每年延长2秒。 让你的小组讨论随着几个世纪的流逝，这将对我们的星球和我们造成什么影响。
    2. 如果太阳天文学家能够每天 24 小时观察太阳的振荡，他们就能更多地了解太阳的内部。 这意味着他们的观测不会因日/夜周期而中断。 这样的实验名为GONG（全球振荡网络组）项目，最早是在20世纪90年代建立的。 为了省钱，该实验旨在使用尽可能少数量的望远镜。 事实证明，如果仔细选择这些地点，则只有六个观测站可以在大约10％的时间内观测太阳。 你认为在选择观测地点时必须考虑哪些因素？ 你的小组能否建议六个大致地理位置来优化观测太阳的时间？ 通过查看GONG网站查看您的答案。
    3. 如果我们真的设法使地球上的受控聚变在经济上可行，那会是什么样子？ 如果水中的氢气成为释放大量能量（而不是化石燃料）的燃料，请让您的小组讨论这对世界经济和国际政治的影响。 （想想石油和天然气储量现在在世界舞台和国际政治中所扮演的角色。）
    4. 你的小组是派往一个采矿小镇市议会的代表团，负责解释为什么政府要在旧金矿的一个竖井里放一桶游泳池大小的商用清洁液。 你会如何处理这个会议？ 假设市议会议员没有太多的科学背景，你会如何向他们解释这个项目的重要性？ 推荐一些你可以使用的视觉辅助工具。
    5. 当雷蒙德·戴维斯（Raymond Davis）第一次建议他在地下金矿进行实验时，有人说这不值得花钱，因为我们已经了解了太阳核心的条件和反应。 然而，他的实验使我们对中微子和亚原子粒子物理学的理解发生了重大变化。 你的团队能想到其他 “昂贵” 的天文学实验吗？这些实验使我们对自然的理解有了根本的改善？

    查看问题

    1. 我们怎么知道太阳的年龄？
    2. 解释一下我们如何知道太阳的能量既不是由化学燃烧提供的，也不是由地球上的火灾提供的，也不是由引力收缩（收缩）提供的。
    3. 使阳光照耀的终极能量来源是什么？
    4. 质子-质子链中三个步骤的公式是什么？
    5. 中微子和中子有何不同？ 列出你能想到的所有方式。
    6. 用你自己的话描述一下太阳处于静水力平衡的说法是什么意思。
    7. 两名天文系学生前往南达科他州。 一个人站在地球表面，享受阳光。 同时，另一个进入金矿，在那里可以探测到中微子，及时到达，以探测新的放射性氩核的产生。 尽管地表的光子和矿井中的中微子同时到达，但它们的历史却截然不同。 描述差异。
    8. 对太阳发射的中微子数量的测量结果告诉我们太阳内部深处的条件了什么？
    9. 中微子有质量吗？ 描述这个问题的答案随着时间的推移发生了怎样的变化以及原因。
    10. 在太阳核心产生的中微子将能量输送到其外部。 这种能量传输的机制是传导、对流还是辐射？
    11. 在太阳下开始质子-质子链聚变需要什么条件？
    12. 描述能量通过太阳传播的两种主要方式。

    思想问题

    1. 有人建议天文学家建造一个特殊的伽玛射线探测器来探测太阳核心质子链期间产生的伽玛射线，就像他们建造中微子探测器一样。 解释一下为什么这将是一项徒劳的努力。
    2. 地球含有放射性元素，其衰变会产生中微子。 我们如何使用中微子来确定这些元素在地球内部是如何分布的？
    3. 太阳比地球大得多，体积更大。 你认为太阳的平均密度比地球的平均密度大还是小？ 在查看密度之前写下答案。 现在在本文的其他地方找到密度值。 你说得对吗？ 清楚地解释密度和质量的含义。
    4. 一位没有从天文学课程中受益的朋友建议，太阳必须充满燃烧的煤炭才能像它一样明亮地发光。 尽可能多地列出反对这个假设的论点。
    5. 以下哪种转化是（是）聚变，哪种是（是）裂变：氦到碳、碳到铁、铀到铅、硼到碳、氧气到霓虹灯？ （有关元素列表，请参阅附录 K。）
    6. 为什么通过CNO循环将氢气融合到氦气所需的温度要高于太阳中发生的仅涉及氢和氦同位素的过程所需的温度？
    7. 地球的大气层处于静水压平衡状态。 这意味着大气中任何一点的压力都必须足够高以支撑其上方的空气重量。 你会如何预计 Mt. 珠穆朗玛峰与你课堂上的压力有区别吗？ 解释原因。
    8. 解释一下当我们说地球的海洋处于静水平衡状态时这意味着什么。 现在假设你是一名水肺潜水员。 当你潜入水面以下 200 英尺深度时，你预计压力会增加或减少吗？ 为什么？
    9. 什么机制将热量从月球表面转移出去？ 如果月球以这种方式失去能量，为什么它不简单地变得越来越冷呢？
    10. 假设在一个寒冷的秋天晚上，你站在离篝火几英尺远的地方。 你的脸开始感觉很热。 将热量从火传递到脸部的机制是什么？ （提示：你和火之间的空气比你的脸更热还是更凉爽？）
    11. 举一些通过对流和辐射传输热量的日常例子。
    12. 假设太阳中的质子-质子循环会突然减速，仅以其当前速率的95％产生能量。 地球上的观察者会看到太阳的亮度立即降低吗？ 她会立即看到太阳发射的中微子数量减少吗？
    13. 你认为核聚变发生在恒星的大气层中吗？ 为什么或者为什么不呢？
    14. 为什么裂变不是太阳中的重要能量来源？
    15. 你为什么认为太阳的能量中有这么大一部分来自中部区域？ 实际上，太阳的所有亮度都来自太阳半径的多大部分（参见第 16.3 节\(16.3.7\)中的图）？ 在太阳的多大半径范围内，其原始氢气已部分用完？ 讨论这些问题的答案彼此之间有什么关系。
    16. 解释数学计算机模型如何使我们能够理解太阳内部正在发生的事情。

    自己搞清楚

    1. 估计当质子与氘核结合形成时转化为能量的质量量\(^3 \text{He}\)。
    2. 当质子与氘核结合产生多少能量时，会释放多少能量\(^3 \text{He}\)？
    3. 太阳每秒将质量转化为\(4 \times 10^9 \text{ kg}\)能量。 太阳将等于地球质量的质量转化为能量需要多少年？
    4. 假设太阳的质量为 75% 的氢气，根据爱因斯坦的方程，所有这些质量都可以转换为能量\(E = mc^2\)。 太阳能产生多少总能量？ 如果\(m\)以 kg\(c\) 为单位且以 m/s 为单位，则\(E\)将以 J 表示（附录 E 中给出了太阳的质量）
    5. 实际上，在太阳中将质量转化为能量并非 100% 有效。 正如我们在文中看到的那样，将四个氢原子转化为一个氦原子会将质子质量的0.02862倍左右转化为能量。 这样的反应会产生多少以焦耳为单位的能量？ （有关氢原子的质量，参见附录E，实际上，氢原子的质量是质子的质量。）
    6. 现在假设太阳中的所有氢原子都转化为氦气。 总共会产生多少能量？ （要计算答案，你必须估计太阳中有多少氢原子。 这将为你提供科学记数法的良好练习，因为所涉及的数字非常大！ 有关科学记数法的回顾，请参阅附录 C。）
    7. 太阳模型表明，太阳中只有大约10％的氢气会参与核反应，因为只有中心区域的氢气处于足够高的温度。 使用太阳每秒辐射的总能量（3.8×10 26 瓦特）以及此处提供的练习和信息来估计太阳的寿命。 （提示：一定要跟踪单位：如果亮度是每秒辐射的能量，那么你的答案也将以秒为单位。 你应该将答案转换为更有意义的答案，例如年份。）
    8. 证明文本中的陈述是正确的：也就是说，太阳中每秒必须将大约6亿吨氢气转化为氦气，以解释其能量输出。 （提示：回想一下爱因斯坦最著名的公式，记住每千克氢气，0.0071 kg的质量被转化为能量。） 10% 的氢气需要多长时间才能转化为氦气？ 这个答案是否与你在上一个练习中计算的寿命一致？
    9. 每秒，太阳将400万吨物质转化为能量。 太阳需要多长时间才能将其质量减少1％（太阳的质量为2×10 30）？ 将你的答案与太阳迄今为止的寿命进行比较。
    10. 小雷蒙德·戴维斯的中微子探测器含有大约 1030 个氯原子。 在实验中，他发现一个中微子与氯原子发生反应，每天产生一个氩原子。
    1. 他需要多少天才能让坦克中有 1% 的氩原子充满实验？
    2. 将答案从 A 转换为年份。
    3. 将这个答案与宇宙年龄进行比较，宇宙年龄约为140亿年（1.4× 10 10 y）。
    4. 关于中微子与物质相互作用的频率，这告诉你什么？