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现代天文学7.ppt

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现代天文学与诺贝尔物理学奖,,,八,太阳和恒星的能量来源及元素合成 .核能 .恒星的能源和寿命 .恒星上元素的合成 .超新星爆发 .福勒获1983年诺贝尔奖,福勒 美国天文学家 恒星上元素 的合成获1983年 诺贝尔奖,福勒从事与元素合成有关核反应的实验和理 论研究,被誉为这一领域的先驱者。他把 原子核物理理论应用于天体物理学的研究 成为核天体物理学这个新学科的奠基人。他因为对宇宙化学元素形成机制的研究 而荣获1983年度的诺贝尔物理学奖。,1,元素及宇宙中 元素分布,宇宙化学元素合成宇宙中存在的各种各样的物质都是由各种 元素组成。地球、行星、太阳、恒星、星云 以及星际介质中具有各种各样但不尽相同的 元素及同位素。这些元素是在宇宙演化的不 同阶段和不同的恒星演化过程中产生的。弄清楚宇宙中各种元素的生成机制及形成 目前观测到的丰度一直是科学家探求解决的 难题。,丰富的物质世界今天的物质世界丰富多采,是因为有多 种多样的元素存在。宇宙中的万物都是由 元素周期表中列出的各种元素所组成。不同的元素仅仅是它们原子核中的质子 数和中子数的不同。具有相同质子数,但 中子数不同的原子核形成同位素。20世纪 20年代,天文学家通过光谱分析知道太阳 物质组成。,地球上的化学元素地球上的化学元素种类繁多,宇宙其 它天体上有的地球上都有。人体中也有丰富的元素,不仅有铁、 碳、氮、钙、锂、铍、硼、氢,还有微 量的比铁更重的元素。,元素丰度 太阳上的元素相对于氢的丰度是: 氢(H)=1.0;氦(He)=0.38;氧(O)=0.001; 碳(C)=0.00052;氮(N)=0.0001;硅(Si), 镁(Mg),铁(Fe),钠(Na),钙(Ca),镍(Ni), 铬(Cr),等在=0.000028以下。天文学上习惯把氢和氦以外的元素称为 重元素。大多数恒星上的元素丰度都差不 多,也有某些种类的恒星的元素丰度差别 比较大。,宇宙中最多的元素宇宙中最多的元素是氢原子,其原子核 就是质子。按质量计,它约占宇宙全部看 得见的物质的3/4。第二多的元素是氦, 约占全宇宙的1/4。所有其他元素的总和 只占不足百分之一。但是不足百分之一其 它元素种类繁多。,元素周期表,,,氢 氦 碳 氧,原子核用符号X 为原子核所对应的元素符号 A 为质量数,中子和质子的总数 Z 为质子数,2,原子核和 核反应,α,β,γ三种射线的发现19世纪末发现天然放射现象后,科学家 认识到原子核的复杂结构和核反应。放射 性元素铀、钋和镭放出α,β,γ三种射 线,其中α射线是氦的原子核,β射线是 电子,γ射线是能量很高的光子。在发现 质子和中子后,才最后弄清楚原子核是由 质子和中子组成的。,电场, 氦核 电子 光子,利用电场作实验,由照相底片纪录,核力在原子核中有多个质子存在,质子带正 电,彼此排斥。必然有一种力把众多的质 子和中子紧紧地聚集在一起的。这就是核 力。核力的作用范围非常小,作用距离只有 10-13厘米。,引力电磁力电磁力比引力强得多!,原子核之间接近很困难原子核(或质子)之间的静电斥力 和它们的电量成正比,和它们之间的 距离的平方成反比。它们越接近,斥 力越大。原子核中的质子越多,斥力 越大。,核聚变的困难原子核是带正电的,同性电荷相斥使它 们不可能彼此靠近。要使几个带正电的原 子核或质子发生聚变,必须使它们彼此接 近到10-13厘米核力能起作用的范围内。,人工核反应1919年卢瑟福用粒子(氦核)轰击氮原子核,观测到闪光, 确认为质子1930年发现由粒子轰击铍(Be)时产生穿透力极强的射线,后来确认为中子高能带电粒子加速器,实行人工核反应,带电粒子加速器科学家利用带电粒子在电场和磁场中受电 场力和罗伦兹力的作用可以获得加速度的原 理,研制成各种的高能带电粒子加速器。目前世界上的大型加速器可以把质子加速 到10000亿电子伏特的能量。加速器使带电 粒子获得很高的能量,成为轰击原子核的炮 弹,实现人工原子核反应。,3,太阳的能源,太阳能源和热核反应太阳的表面温度大约为6000度,而中心 温度却高达1200万度。它每秒钟向太空辐 射的能量为3.8 × 1026焦耳。太阳的年龄已经超过50亿年。根据地质 资料,在这么长的时间内太阳的辐射能没 有明显的变化。这表明,必定有一个长期 而稳定的能源。,爱丁顿提出恒星能源来自核反应1926年,英国天文学家爱丁顿认为恒星的 能源只能是来自核反应。而当时的物理学家 却认为,只有当温度达到几百亿度时,才能 发生聚变。而恒星中心区域的温度达不到这 样的高温,所以他们认为在恒星内部不可能 发生核反应。,爱丁顿胜利了最后还是爱丁顿胜利了,物理学家终于 发现,由于量子力学的隧道效应,在恒星 内部温度的条件下是可以发生核反应的。但并不是爱丁顿解决的这个
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