太阳物理(二)

1、三、太阳内部结构及太阳中微子之谜标准太阳模型 现阶段，即主序阶段的太阳向外的辐射压与重力平衡，整体处于流体静力学状态。假设太阳是球对称的，在质量和化学组成已知的情况下求解下列方程组，就可以得到标准太阳模型： （1）流体静力学平衡方程 （2）质量连续性方程 （3）能量守恒方程 （4）能量传输方程 结合：物态方程，产能率公式，不透明度公式 边界条件：在中心处质量为0，光度为0；在表面处质量为太阳质量，温度、压强为0。标准太阳模型 标准太阳模型给出了太阳中心到表面各点处的压强、密度、温度、质量、光度、产能率、不透明度的分布。太阳内部结构 标准太阳模型给出的太阳内部结构： （1）核反应区 （2）辐射区

2、 （3）对流区核反应区 太阳核心0.25 Rsun的区域； 中心密度160 g cm-3 压强3300 亿大气压 温度1500 万度； 太阳对外辐射的能量 的99%来自该区域； 核反应导致的质量 减少为每秒500万吨； 氢氦比例由3：1变 为1：2辐射区 从 0.25 Rsun到 0.8 Rsun的区域，在 0.8 Rsun处温度降为 70万度，密度降为 0.018 g cm-3 该区域主要通过光子 的吸收再发射传递能 量，辐射压远大于 气压：高能光子X射线远紫外线紫外可见光对流区 范围：从 0.8 Rsun到接近 1.0 Rsun的区域，差 500 公里到太阳的可见的发光表面。 太阳表面以下

3、的区域是看不见的，或者说是不透明，传统的遥感手段无法探测。 研究方法：理论研究， 日震学研究 密度、温度梯度很大。 气压远大于辐射压 和磁压。主要靠对流 传输能量 （烧开水） 特点：底层和顶层存 在物质交换。光子在太阳内部的传播路径 在核反应过程中产生的光子从日心往外传播，如果不受到什么阻碍的话，只需要不到3秒钟的时间就可以传到太阳表面； 但是周围致密的物质和强烈的辐射，使得光子在传播的过程中会不断地与周围的自由电子碰撞（汤姆逊散射），每碰撞一次就改变一次方向，一个光子从日心出发最终抵达太阳表面所需要的时间 将是不可思议地长！ 这个时间可以运用随机行走的公式估计 获得：随机行走路线图起点终点光

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给出：光子的平均自由程由下式给出： = 1 / (T ) T = 汤姆逊散射截面= 6.65 10-25 cm2 = 电子平均密度。太阳由等离子体组成， 与质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。光子在太阳内部每前进1.8厘米就要与电子碰撞一次，改变一次方向，所需时间= / c = 6 10-11 s. 为简单起见，我们假定光子在太阳内部做二维随机行走，那为简单起见，我们假定光子在太阳内部做二维随机行走，那么从日心到日面需

5、要走么从日心到日面需要走 这么多步：这么多步：(R / )2 = (71010 / 1.8)2 = 1.5 1021.光子从日心到日面传输所需时间光子从日心到日面传输所需时间ttravel = (R/)2 (/c)= 1.5.1021 6.10-11 s= 9 1010 s = 3000 年年！计算方法不同，结果也有所不同，但是结论是一个：每个光子从日心传播到日面需要很长很长的时间！问题 每个光子从日心传播到日面需要非常长的时间，发生在日心的核反应的能量是如何能够迅速传到日面、并以光辐射的形式传播出去的呢？太阳中微子的研究及其意义 中微子（neutrino）是一种基本粒子，质量几乎为零，不带电

6、荷，以光速运动； 几乎不与其它粒子相互作用，具有非常强的穿透力，可以很轻易地穿过排列在一起的好几个地球； 在地球上每平方厘米面积上每秒钟大约有600亿个中微子穿过，但是我们毫无知觉！ 一个光子从日心运动到日面需要几千年的时间，一个中微子只需要不到3秒钟！ 中微子可以将日心附近的信息毫无损失地带出来，让我们直接了解太阳的内部信息。 对我们研究太阳及恒星内部的物理性质非常重要。太阳中微子的研究及其意义 发生在日心的两种核反应过程都会产生大量的中微子（电子中微子）：1.质子质子反应：（1H + 1H 2H + e+ +e）2（2H + 1H 3He + ）23He + 3He 4He + 21H 因

7、为正电子一旦生成，就与电子湮灭成一对光子，上述反应的最终结果是： 41H + 2e 4He + 2e + 6太阳中微子的研究及其意义2、碳氮氧循环12C + 1H 13N + 13N 13C + e + + e13C + 1H 14N + 14N + 1H 15O + 15O 15N + e + + e15N + 1H 12C + 4He 反应的结果也是： 41H + 2e 4He + 2e + 7太阳中微子的研究及其意义pp中微子为低能中微子，为连续谱，极大值为0.42 Mev，平均能量为0.265 Mev，流量为6.11014 SNU。7Be中微子为中能中微子，为分立谱，0.86 Mev（

8、90%），0.38 Mev （10%）。流量为3.571013 SNU。8B中微子为高能中微子，为连续谱，极大值为14 Mev，平均能量为7.2 Mev，流量为2.261010 SNU。1 SNU=10-36 每秒钟被目标原子俘获的中微子个数。太阳中微子流量能量分布（谱）镓氯水探测太阳中微子 虽然中微子与其它物质的作用非常微弱，但不是没有。根据标准太阳模型和粒子物理理论，在地球上探测到太阳中微子是可能的 美国Davis等人1956年开始用38万升放在1500米地下的废金矿中的C2Cl4来探测中微子 基本原理 e + 37Cl 37Ar + e 位于美国南达科他州地下废弃金矿中的中微子探测器1.

9、6 kmC2Cl4中微子探测器宇宙线ArArgon Atom100,000 gal. tank金矿Ar太阳中微子失踪之迷 理论上，每天能俘获1.1个； 但实验上，每三天才有一个 1988年，小柴昌俊（Masatoshi Koshiba）利用中微子水契伦科夫探测器，探测低能的电子中微子，得到与Davis同样的结果 探测到的来自太阳的中微子数量只有标准太阳模型预测的太阳中微子数量的三分之一 有三分之二的中微子失踪了！位于日本飞弹市神冈山1.5 km地下锌矿中的水契伦科夫探测器太阳中微子失踪之迷 可能原因： 1、我们的标准太阳模型有问题，太阳核心温度不象估计的那样高，产生不了那么多的中微子。已有的其

10、它种类恒星的模型也可能受到挑战！ 2、实验有问题。 3、粒子物理的标准模型有问题。有三类中微子：电子中微子、子中微子和子中微子。太阳释放的都是电子中微子，它们在向地球传播途中变成了子中微子和子中微子，即中微子振荡。 太阳中微子失踪之迷 如果中微子振荡属实，那么中微子就有质量，粒子物理的一些基本理论就需要修改。 Davis和小柴昌俊的早期实验装置只能探测电子中微子。后来，小 柴昌俊对原有的装置进 行了升级，使之可以同 时探测三种中微子，于 1996年找到了中微子振 荡的明确证据。 太阳中微子失踪之迷 Sudbury中微子观测室 位于加拿大安大略省的Sudbury，在地下2000米深处的镍矿中，相当于10层大楼那么高，使用了1000吨重水，装在一个外层充满了扑通水的双层容器中；每天可以探测到近10个中微子。太阳中微子失踪之迷 Sudbury中微子观测室 位于加拿大安大略省的Sudbury，在地下2000米深处的镍矿中，相当于10层大楼那么高，使用了1000吨重水，装在一个外层充满了普通水的双层容器中；每天可以探测到近10个中微子。太阳中微子失踪之迷 SNO的实验也可以同时观测三种中微子，而且，由于使用了重水(D2O)做中介，还可以探测到更多的过程，获得更多的信息和实验结果。2002年，SNO的实验再次证实了中微子的