Question

太陽現正處于主序星演化階段，它主要是由電子的

11

H、

42

He等原子核組成，維持太陽輻射的是它內部的核聚變反應，核反應方程是2e+4

11

H→

42

He+釋放的核能，這些核能最后轉化為輻射能，根據目前關于恒星演化的理論，若由于聚變反應而使太陽中的

11

H核數目從現有數減少10%，太陽將離開主序星階段而轉入紅巨星的演化階段，為了簡化，假定目前太陽全部由電子和

11

H核組成．?
（1）為了研究太陽演化進程，需知道目前太陽的質量M，已知地球半徑R=6.4×10⁶ m，地球質量m=6.0×10²⁴ kg，月地中心的距離r=1.5×10¹¹ m，地球表面處的重力加速度g=10m/s²，1年約為3.2×10⁷ s，試估算目前太陽的質量M．?
（2）已知質量m_p=1.6726×10^-27 kg，

42

He質量m_a=6.6458×10^-27 kg，電子質量m_e=0.9×10^-30 kg，光速c=3×10⁸ m/s．求每發生一次題中所述的核聚變反應所釋放的核能．?
（3）又知地球上與太陽光垂直的每平方米截面上，每秒通過的太陽輻射能W=1.35×10³ J/m²．試估算太陽繼續保持在主序星階段還有多少年的壽命．（估算結果只要求一位有效數字）?

Answer 1

（1）設T為地球繞日心運動的周期，則由萬有引力定律和牛頓定律可知?
G

Mm

r2

=mr(

2π

T

)2…①?
地球表面處的重力加速度?
g=G

m

R2

…②?
由①、②式聯立解得?
M=m（

2π

T

）²

r3

gR2

…③?
代入題給數值，得M=2×10³⁰kg…④?
（2）根據質量虧損和質能方程，該核反應每發生一次釋放的核能為?
△E=（4m_p+2m_e-m_α）c²…⑤?
代入數值，解得△E=4.2×10^-12 J⑥?
（3）根據題給假定，在太陽繼續保持在主序星階段的時間內，發生題中所述的核聚變反應的次數為??
N=

M

4mp

×10%…⑦?
因此，太陽總共輻射出的能量為?
E=N?△E?
設太陽輻射是各向同性的，則每秒內太陽向外放出的輻射能為?
ε=4πr²W…⑧?
所以太陽繼續保持在主序星的時間為?
t=

E

?

…⑨?
由以上各式，得：t=

0.1M(4mp+2me-mα)c2

4mp×4πr2W

代入題給數據，并以年為單位，可得：t=1×10¹⁰年?
答：（1）估算目前太陽的質量為2×10³⁰kg．
（2）每發生一次題中所述的核聚變反應所釋放的核能為4.2×10^-12 J．
（3）太陽繼續保持在主序星階段還有1×10¹⁰年的壽命．