无尽的太阳能源

2．无尽的太阳能源

我们的地球，生机盎然，从太空拍摄的地球照片显示它是一颗蔚蓝色的天体。在这颗行星上，鸟语花香，草木葱茏，特别是在这颗行星上生存着大自然的精灵——人类，他创造出繁荣昌盛的物质文明和精神文明。可是，这一切都离不开光辉灿烂的太阳。正是由于太阳向地球无私地提供能量，才使得地球上的生命得以存在和发展，否则将是死寂一团。太阳是地球上一切生命的源泉。太阳是一颗极其普通的恒星。太阳的质量、体积、温度等物理、化学性质，具有典型性；因为太阳离我们最近，可以对它进行仔细的研究，与其他的恒星作比较，太阳可以作为研究恒星的样品。为了说明太阳的有关性质，以下列出它的主要特征参数：

太阳质量：M_⊙=1.9891×10³³g=332831地球质量

太阳平均密度：1.409g/cm³

太阳半径：6.9599×10¹⁰cm=109地球半径

太阳体积：1.4122×10³³cm=1303729地球体积

太阳自转周期：约27.2天

辐射能：3.826×10³³尔格/秒

中心温度：1.5×10⁷k（k是绝对温度）

表面温度：5770k

日地平均距离：1.49597092×10¹³cm

太阳常数：1.950卡/（分·cm²）（在日地平均距离处垂直于日光的每平方厘米面积上每分钟所接受的太阳的辐射能量）

地球大约每年接受到太阳能量为58亿亿亿千瓦小时。20世纪初叶以前，人们对太阳为什么会发光这样简单的问题还回答不出来。1900年，德国物理学家普朗克，为解决黑体辐射问题提出了“量子论”；1905年，著名物理学家爱因斯坦提出了“狭义相对论”；1914年，英国物理学家卢瑟福发现了质子。随后，德国物理学家玻尔提出了“原子壳层”结构假说，认为原子的结构就像是微型的太阳系。由于核物理学、相对论和量子力学三个新领域的重大突破，为解决太阳能源问题，提供了理论武器。

太阳的能源来源，通俗地说，就是在太阳内部不断地进行着氢弹爆炸。现在我们知道，在太阳的总质量中，氢元素占71%，氦元素占27%，这两种元素占整体太阳物质的98%以上。1920年，英国著名天文学家爱丁顿提出氢原子核转变为氦原子核的“核聚变反应”是太阳能的源泉。爱丁顿认为在太阳内部，由四个氢核（质子）聚合成一个氦核的反应，就能释放出能量来。这种核反应称为“质子——质子反应”，或者叫“质子循环”。其反应过程是：

上式中₁H¹是氢原子核，即质子，e^＋正电子，μ是中微子，_Υ是光子，以Υ射线的形式辐射。₁H²是重氢，又叫氘，是氢元素的同位素，它的核外电子与氢一样，只有一个核外电子，但不同的是核内有一个质子和一个中子。₂H³_c是氦的同位素，第一个反应式由两个氢原子核（质子）结合成一个氘和一个正电子，一个中微子和一个光子；第二个反应式是由一个氘核和一个氢核结合成氦的轻同位素，并释放出一个光子，再重复这一反应过程，就有两个轻氦同位素核结合成一个氦，再加上两个氢核。整个反应过程，实际上是由四个氢核，即二个质子二个中子聚合成一个氦核，释放出光子以Υ射线辐射，另外还有一个中微子，正电子在反应过程中与电子碰撞而湮灭，释放出的能量以光子辐射。所以质子——质子反应的净效益是四个氢核聚合成一个氦核加上Υ辐射。

1个氢原子核的质量=1.0078_u

μ是原子质量单位=1.66×10^-24克

4个氢核的质量是4.031_μ，1个氦核的质量是4.004_μ，因此，每进行一次反应损失氢核的质量是4×1.008_μ-4.004_?=0.027_μ，这亏损的0.027_μ转变成能量。因此，1个氢核亏损的质量是0.007_μ=0.007×1.66×10^-24克，约等于1.13×10^-26克，由爱因斯坦质能转换公式E=△m·c²，这里c是光速，可以算出，1个氢核所贡献的能量是：

0.0116×10^-24×（3×10¹⁰）²=0.1016×10^-4尔格

1克氢中包含有6×10²³个氢原子，由此得到1克氢转化成氦可释放出的能量是E=0.1016×10^-4×6×10²³尔格，即6×10¹⁸尔格，约为170000千瓦小时，1克氢转化为氦时，只亏损0.0024克。那么，太阳维持现状每秒钟辐射4×10³³尔格的能量，就需要损耗6.7×10¹⁴克（相当于43000万吨）的太阳物质。太阳拥有1.989×10³³克的质量，以每秒4×10³³尔格的产能率计算，太阳的核燃料还可以维持670亿年！

太阳每秒钟的产出的能量相当于11×10¹⁹千瓦小时，即110亿亿度电能。可惜的是，这么巨大的能量大部分耗散到太阳系空间去了，我们地球只受益很少的一部分，一年只接受到58亿亿千瓦小时的能量，仅仅相当于太阳1秒钟辐射能量的1/2，但就这么一点点，已足够维持地球上的生命的需要。