太陽物理(二)

1、三、太陽內(nèi)部結(jié)構(gòu)及太陽中微子之謎標(biāo)準(zhǔn)太陽模型 現(xiàn)階段，即主序階段的太陽向外的輻射壓與重力平衡，整體處于流體靜力學(xué)狀態(tài)。假設(shè)太陽是球?qū)ΨQ的，在質(zhì)量和化學(xué)組成已知的情況下求解下列方程組，就可以得到標(biāo)準(zhǔn)太陽模型： （1）流體靜力學(xué)平衡方程 （2）質(zhì)量連續(xù)性方程 （3）能量守恒方程 （4）能量傳輸方程 結(jié)合：物態(tài)方程，產(chǎn)能率公式，不透明度公式 邊界條件：在中心處質(zhì)量為0，光度為0；在表面處質(zhì)量為太陽質(zhì)量，溫度、壓強(qiáng)為0。標(biāo)準(zhǔn)太陽模型 標(biāo)準(zhǔn)太陽模型給出了太陽中心到表面各點(diǎn)處的壓強(qiáng)、密度、溫度、質(zhì)量、光度、產(chǎn)能率、不透明度的分布。太陽內(nèi)部結(jié)構(gòu) 標(biāo)準(zhǔn)太陽模型給出的太陽內(nèi)部結(jié)構(gòu)： （1）核反應(yīng)區(qū) （2）輻射區(qū)

2、 （3）對(duì)流區(qū)核反應(yīng)區(qū) 太陽核心0.25 Rsun的區(qū)域； 中心密度160 g cm-3 壓強(qiáng)3300 億大氣壓 溫度1500 萬度； 太陽對(duì)外輻射的能量 的99%來自該區(qū)域； 核反應(yīng)導(dǎo)致的質(zhì)量 減少為每秒500萬噸； 氫氦比例由3：1變 為1：2輻射區(qū) 從 0.25 Rsun到 0.8 Rsun的區(qū)域，在 0.8 Rsun處溫度降為 70萬度，密度降為 0.018 g cm-3 該區(qū)域主要通過光子 的吸收再發(fā)射傳遞能 量，輻射壓遠(yuǎn)大于 氣壓：高能光子X射線遠(yuǎn)紫外線紫外可見光對(duì)流區(qū) 范圍：從 0.8 Rsun到接近 1.0 Rsun的區(qū)域，差 500 公里到太陽的可見的發(fā)光表面。 太陽表面以下

3、的區(qū)域是看不見的，或者說是不透明，傳統(tǒng)的遙感手段無法探測(cè)。 研究方法：理論研究， 日震學(xué)研究 密度、溫度梯度很大。 氣壓遠(yuǎn)大于輻射壓 和磁壓。主要靠對(duì)流 傳輸能量 （燒開水） 特點(diǎn)：底層和頂層存 在物質(zhì)交換。光子在太陽內(nèi)部的傳播路徑 在核反應(yīng)過程中產(chǎn)生的光子從日心往外傳播，如果不受到什么阻礙的話，只需要不到3秒鐘的時(shí)間就可以傳到太陽表面； 但是周圍致密的物質(zhì)和強(qiáng)烈的輻射，使得光子在傳播的過程中會(huì)不斷地與周圍的自由電子碰撞（湯姆遜散射），每碰撞一次就改變一次方向，一個(gè)光子從日心出發(fā)最終抵達(dá)太陽表面所需要的時(shí)間 將是不可思議地長！ 這個(gè)時(shí)間可以運(yùn)用隨機(jī)行走的公式估計(jì) 獲得：隨機(jī)行走路線圖起點(diǎn)終點(diǎn)光

4、子平均自由程光子平均自由程光子的平均自由程由下式給出：光子的平均自由程由下式給出： = 1 / (T ) T = 湯姆遜散射截面= 6.65 10-25 cm2 = 電子平均密度。太陽由等離子體組成， 與質(zhì)子平均密度大致相同 M / (V mp) = 21030 / ( 1.41027 1.6710-27) = 8.6 1023 cm-3. 于是， = 1.8 cm。光子在太陽內(nèi)部每前進(jìn)1.8厘米就要與電子碰撞一次，改變一次方向，所需時(shí)間= / c = 6 10-11 s. 為簡單起見，我們假定光子在太陽內(nèi)部做二維隨機(jī)行走，那為簡單起見，我們假定光子在太陽內(nèi)部做二維隨機(jī)行走，那么從日心到日面需

5、要走么從日心到日面需要走 這么多步：這么多步：(R / )2 = (71010 / 1.8)2 = 1.5 1021.光子從日心到日面?zhèn)鬏斔钑r(shí)間光子從日心到日面?zhèn)鬏斔钑r(shí)間ttravel = (R/)2 (/c)= 1.5.1021 6.10-11 s= 9 1010 s = 3000 年年！計(jì)算方法不同，結(jié)果也有所不同，但是結(jié)論是一個(gè)：每個(gè)光子從日心傳播到日面需要很長很長的時(shí)間！問題 每個(gè)光子從日心傳播到日面需要非常長的時(shí)間，發(fā)生在日心的核反應(yīng)的能量是如何能夠迅速傳到日面、并以光輻射的形式傳播出去的呢？太陽中微子的研究及其意義 中微子（neutrino）是一種基本粒子，質(zhì)量幾乎為零，不帶電

6、荷，以光速運(yùn)動(dòng)； 幾乎不與其它粒子相互作用，具有非常強(qiáng)的穿透力，可以很輕易地穿過排列在一起的好幾個(gè)地球； 在地球上每平方厘米面積上每秒鐘大約有600億個(gè)中微子穿過，但是我們毫無知覺！ 一個(gè)光子從日心運(yùn)動(dòng)到日面需要幾千年的時(shí)間，一個(gè)中微子只需要不到3秒鐘！ 中微子可以將日心附近的信息毫無損失地帶出來，讓我們直接了解太陽的內(nèi)部信息。 對(duì)我們研究太陽及恒星內(nèi)部的物理性質(zhì)非常重要。太陽中微子的研究及其意義 發(fā)生在日心的兩種核反應(yīng)過程都會(huì)產(chǎn)生大量的中微子（電子中微子）：1.質(zhì)子質(zhì)子反應(yīng)：（1H + 1H 2H + e+ +e）2（2H + 1H 3He + ）23He + 3He 4He + 21H 因

7、為正電子一旦生成，就與電子湮滅成一對(duì)光子，上述反應(yīng)的最終結(jié)果是： 41H + 2e 4He + 2e + 6太陽中微子的研究及其意義2、碳氮氧循環(huán)12C + 1H 13N + 13N 13C + e + + e13C + 1H 14N + 14N + 1H 15O + 15O 15N + e + + e15N + 1H 12C + 4He 反應(yīng)的結(jié)果也是： 41H + 2e 4He + 2e + 7太陽中微子的研究及其意義pp中微子為低能中微子，為連續(xù)譜，極大值為0.42 Mev，平均能量為0.265 Mev，流量為6.11014 SNU。7Be中微子為中能中微子，為分立譜，0.86 Mev（

8、90%），0.38 Mev （10%）。流量為3.571013 SNU。8B中微子為高能中微子，為連續(xù)譜，極大值為14 Mev，平均能量為7.2 Mev，流量為2.261010 SNU。1 SNU=10-36 每秒鐘被目標(biāo)原子俘獲的中微子個(gè)數(shù)。太陽中微子流量能量分布（譜）鎵氯水探測(cè)太陽中微子 雖然中微子與其它物質(zhì)的作用非常微弱，但不是沒有。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)太陽模型和粒子物理理論，在地球上探測(cè)到太陽中微子是可能的 美國Davis等人1956年開始用38萬升放在1500米地下的廢金礦中的C2Cl4來探測(cè)中微子 基本原理 e + 37Cl 37Ar + e 位于美國南達(dá)科他州地下廢棄金礦中的中微子探測(cè)器1.

9、6 kmC2Cl4中微子探測(cè)器宇宙線ArArgon Atom100,000 gal. tank金礦Ar太陽中微子失蹤之迷 理論上，每天能俘獲1.1個(gè)； 但實(shí)驗(yàn)上，每三天才有一個(gè) 1988年，小柴昌?。∕asatoshi Koshiba）利用中微子水契倫科夫探測(cè)器，探測(cè)低能的電子中微子，得到與Davis同樣的結(jié)果 探測(cè)到的來自太陽的中微子數(shù)量只有標(biāo)準(zhǔn)太陽模型預(yù)測(cè)的太陽中微子數(shù)量的三分之一 有三分之二的中微子失蹤了！位于日本飛彈市神岡山1.5 km地下鋅礦中的水契倫科夫探測(cè)器太陽中微子失蹤之迷 可能原因： 1、我們的標(biāo)準(zhǔn)太陽模型有問題，太陽核心溫度不象估計(jì)的那樣高，產(chǎn)生不了那么多的中微子。已有的其

10、它種類恒星的模型也可能受到挑戰(zhàn)！ 2、實(shí)驗(yàn)有問題。 3、粒子物理的標(biāo)準(zhǔn)模型有問題。有三類中微子：電子中微子、子中微子和子中微子。太陽釋放的都是電子中微子，它們?cè)谙虻厍騻鞑ネ局凶兂闪俗又形⒆雍妥又形⒆?，即中微子振蕩?太陽中微子失蹤之迷 如果中微子振蕩屬實(shí)，那么中微子就有質(zhì)量，粒子物理的一些基本理論就需要修改。 Davis和小柴昌俊的早期實(shí)驗(yàn)裝置只能探測(cè)電子中微子。后來，小 柴昌俊對(duì)原有的裝置進(jìn) 行了升級(jí)，使之可以同 時(shí)探測(cè)三種中微子，于 1996年找到了中微子振 蕩的明確證據(jù)。 太陽中微子失蹤之迷 Sudbury中微子觀測(cè)室 位于加拿大安大略省的Sudbury，在地下2000米深處的鎳礦中，相當(dāng)于10層大樓那么高，使用了1000噸重水，裝在一個(gè)外層充滿了撲通水的雙層容器中；每天可以探測(cè)到近10個(gè)中微子。太陽中微子失蹤之迷 Sudbury中微子觀測(cè)室 位于加拿大安大略省的Sudbury，在地下2000米深處的鎳礦中，相當(dāng)于10層大樓那么高，使用了1000噸重水，裝在一個(gè)外層充滿了普通水的雙層容器中；每天可以探測(cè)到近10個(gè)中微子。太陽中微子失蹤之迷 SNO的實(shí)驗(yàn)也可以同時(shí)觀測(cè)三種中微子，而且，由于使用了重水(D2O)做中介，還可以探測(cè)到更多的過程，獲得更多的信息和實(shí)驗(yàn)結(jié)果。2002年，SNO的實(shí)驗(yàn)再次證實(shí)了中微子的