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stred至尊木虫 (文坛精英)
蓝翔技校优秀毕业生
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[交流]
浅析太阳的热平衡系统及中微子偏少之谜
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| 恒星每时每刻都在向太空中释放出大量的能量，通常认为这些能量来源于恒星内部不断发生的核反应，主要是氢核在极高的温度下发生聚变反应。本发明人认为，恒星向太空中释放出的能量还包括氢核发生电子俘获核反应生成的自由中子与其它核素聚合释放出的核能。通过对太阳的观察，发现其表面不同区域存在明显的温度变化，表明恒星内部是一个动态热平衡系统。恒星内部的核反应在温度、压力不断升高的环境中会不断地加速进行，仅仅依赖星球表面的散热作用，则只有特定质量和面积的恒星才能够在漫长的岁月里始终较稳定地发出光和热，但事实上，能够较稳定地发出光和热的恒星质量和面积变化要大的多。不同质量恒星表面温度也不尽相同，反映出恒星内部温度、压力并不一致，但其内部发生的核反应既没有不断地加速进行也没有停止。因此，恒星内部应存在一个热平衡调节机制。 太阳上的元素以氢、氦为主，氢核发生聚变反应所需的热动能大约为0.72MeV，氢核发生电子俘获核反应所需的热动能大约为0.785MeV。由于两种核反应所需的热动能比较接近，当大量氢核在极高的温度下发生聚变时，所释放出来的能量不仅使更多氢核具有克服库仑势垒所需的热动能，聚变反应还会使温度升的更高一些，使大量氢核具有发生电子俘获核反应所需的能量，并开始发生电子俘获核反应，转化为自由中子，同时放出中微子。自由中子是不稳定的，有一部分会与质子聚合成可作为聚变反应燃料的氘或氚，并释放出核能。如果没能与质子聚合成氘或氚，也没能与其它核素聚合，就会发生β衰变转化为质子，同时放出反中微子。 氢核发生电子俘获核反应是一种强吸热反应。当核反应在温度、压力不断升高的环境中不断地加速进行时，会令氢核发生电子俘获核反应的几率相应增大。虽然生成的自由中子不稳定，半衰期只有12.5分钟左右，但大量自由中子短时间存在会吸收大量热能，在核反应过程中产生的中微子和反中微子，也会带走大量热能。 氢的同位素中氘是稳定的，氚的半衰期大约为12.5年，假设氢还有一种极不稳定的三中子同位素，他们只存在于恒星内部氦核发生电子俘获核反应及β衰变的中间过程，当聚变反应在温度、压力不断升高的环境中不断地加速进行，通过氢核发生电子俘获核反应不能抑制区域内的核反应速度时，则温度、压力不断升高使氦核具有发生电子俘获核反应所需的能量，恒星内部大量氦核将发生电子俘获核反应，转化为三中子氢。但三中子氢极不稳定，如果没能与其它核素聚合，就迅速发生β衰变转化为氦核。在核反应过程中产生的大量中微子和反中微子，会带走大量热能。由于是核反应吸热，尽管恒星内部发生的氢核聚变反应具有极强的放热能力，自由中子与其它核素聚合也会放出大量的核能，但电子俘获核反应的吸热能力以及中微子和反中微子的散热能力也极强，使温度、压力不断升高区域内的温度、压力有所下降，抑制区域内的核反应速度，调节区域内的温度、压力。 观察发现，在太阳上经常成群、成对地出现黑子，它们通常是在太阳光球上出现一片明亮的光斑几小时，至多一天后出现，光斑的温度要比光球部分高。黑子是一个巨大的旋涡状气流，里面物质的速度高达每秒千米以上，黑子的温度比周围低一些。通过对多年来出现黑子纪录的统计研究，发现黑子数逐年增加到某一极大值后又逐年减少，这个变化平均以十一年为周期。 在太阳上经常成群、成对地出现黑子表明，在太阳内部存在核反应产生的温差。由于太阳已经存在了几十亿年，太阳上的物质在极高的温度下具有很强的对流性，太阳内部的温差不可能是散热不均造成的。太阳上的元素以氢、氦为主，氢核、氦核发生电子俘获核反应可使核反应区域内的温度、压力有所下降，并在太阳内部不同区域之间产生温差，温差造成太阳内部出现巨大气流，使电磁辐射发生变化，并会影响到太阳表面，令太阳表面上经常成群、成对地出现巨大旋涡状气流——黑子。氢核、氦核发生电子俘获的吸热反应使得区域内温度下降，又造成大量氢核、氦核发生电子俘获核反应的几率减少，太阳内部继续发生的核反应使温度回升，温差消失，令太阳表面巨大旋涡状气流—黑子消失。 黑子数平均以十一年为周期变化，反映的是整个太阳内部温度、压力升降的节律。太阳是一个动态的热平衡系统，太阳内部持续发生的核反应使其整体温度、压力不断升高，整体温度、压力不断升高又使核反应速度加快，令温度、压力加速上升，使更多氢核、氦核具有发生电子俘获核反应所需的能量，令更多氢核、氦核发生电子俘获核反应，造成太阳内部更多区域内的温度、压力发生变化，从而使得太阳表面上黑子出现数量增加。事实上，如果太阳内部没有一个热平衡调节机制—电子俘获核反应调节机制，核反应在温度、压力不断升高的环境中不断地加速进行，会造成太阳一次比一次更猛烈的特大爆炸。 当恒星上的氢核随着核反应的进行不断减少，核反应变为以较重核素为主时，恒星上原有的热平衡将被打破，恒星内部将进入加速升温阶段，直到新的热平衡建立，新的热平衡可以通过多种核素发生电子俘获核反应吸收热能建立起来。大量核素发生电子俘获核反应转化为具有β放射性的核素，同时放出中微子，新生成的具有β放射性的核素是不稳定的，又发生β衰变转化为稳定核素，同时放出反中微子，从而在恒星内部建立起新的热平衡。较重核素通过发生电子俘获核反应产生的具有β放射性核素之间的库仑势垒相对较低，有利于恒星在较低温度、压力条件下继续发生聚变核反应。可认为是电子俘获核反应令恒星得以利用较重核素释放出大量能量。恒星上核素发生的聚变核反应仅在有核素发生电子俘获核反应的温度、压力段，才能较稳定地发出光和热。 核素通过发生电子俘获核反应吸收热能建立起来的动态热平衡，随着恒星上聚变反应的进行最终也会被打破，这时，恒星将进入一个失去热平衡的阶段，恒星内部核素持续发生的聚变反应使温度、压力不断升高，温度、压力不断升高又使聚变反应速度加快，令温度、压力加速上升，当聚变反应产生的热能远远超过了星球表面的散热速度时，恒星将以特大爆炸的形式将聚变反应产生的热能散发出去。 必须指出，凡能发生β+衰变的核素都可发生电子俘获核反应，但能发生电子俘获核反应的核素却不一定能发生β+衰变。因此，太阳内部的氢链反应中肯定存在大量电子俘获核反应，在氢链反应中发生电子俘获核反应的几率也应大于两个氢核直接聚变为氘的核反应。由于氢核发生电子俘获核反应生成的是自由中子，自由中子也可以继续与其它核素发生核反应，因此，本发明人认为太阳向太空中释放出大量的能量中，还包括氢核发生电子俘获核反应生成的自由中子与其它核素聚合释放出的核能。宇宙中许多核素的产生，都与电子俘获核反应有关，可以认为，是电子俘获核反应丰富了宇宙中核素的种类。但由于电子俘获核反应本身是一个吸热的核反应，反应的过程较难观察，故人们一直未能注意到电子俘获核反应在维持恒星发光过程中的重要作用。 假设恒星内部有来源于自由中子与其它核素聚合放出的核能，还因为人们在地球上不同地点的多次观测中发现，太阳发出的中微子数量始终小于理论计算值，说明太阳内部的核反应比较复杂，具有多样性。本发明人认为，如果太阳内部有来源于自由中子与其它核素聚合释放出的核能，则自由中子同其它核素的聚变反应，与氢核发生聚变反应最终生成氦核释放出的核能是不一样的。氢核发生电子俘获核反应生成自由中子，自由中子再与中等核素聚变反应释放出的核能，可以大于氢核发生聚变反应生成氦核释放出的核能，造成仅仅认为太阳上存在氢核聚变反应，并据此计算出的中微子数量偏大。如果太阳向太空中释放出的能量中，有一部分是氢核发生电子俘获核反应生成的自由中子与其它核素聚合释放出的核能，考虑了这一因素影响，理论计算出的中微子数量将发生变化。根据实际观测的中微子数量，可以帮助判断恒星内部核反应的形式。 自然界中有几百种原子核，根据外斯塞格计算核子质量的公式，各种原子核发生电子俘获核反应所需的阈值能量是有很大差异的，假设有原子核发生电子俘获核反应的阈值能量相对较低，能够通过人工加温、加压令其发生电子俘获核反应，且通过电子俘获核反应生成的核素具有放射性，其放射性强度和半衰期也较理想，则人类在未来也可借鉴恒星上的热平衡调节机制，在受控热核聚变装置中利用电子俘获核反应生产具有放射性的核素。自然界中有由多种原子核发生电子俘获核反应的阈值能量为负值，故也可以利用该类原子核的电子俘获核反应获得核能。 恒星内部的温度极高，恒星内部的物质是处于高温离子状态，电子的热运动足以克服恒星内部压力产生的浮力作用，但浮力作用也会使少量的电子飘浮到恒星表层，令恒星内部保持非电中性的正离子状态，同时也令恒星表层处于带负电状态。恒星以及中子星之所以具有磁场，与恒星以及中子星内部热压电效应造成其核心部位保持非电中性的正离子状态，同时外层处于带负电的负离子状态有关。 |
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