Question

太阳现正处于主序星演化阶段，它主要是由电子的

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H、

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He等原子核组成，维持太阳辐射的是它内部的核聚变反应，核反应方程是2e+4

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H→

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He+释放的核能，这些核能最后转化为辐射能，根据目前关于恒星演化的理论，若由于聚变反应而使太阳中的

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H核数目从现有数减少10%，太阳将离开主序星阶段而转入红巨星的演化阶段，为了简化，假定目前太阳全部由电子和

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H核组成．?
（1）为了研究太阳演化进程，需知道目前太阳的质量M，已知地球半径R=6.4×10⁶ m，地球质量m=6.0×10²⁴ kg，月地中心的距离r=1.5×10¹¹ m，地球表面处的重力加速度g=10m/s²，1年约为3.2×10⁷ s，试估算目前太阳的质量M．?
（2）已知质量m_p=1.6726×10^-27 kg，

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He质量m_a=6.6458×10^-27 kg，电子质量m_e=0.9×10^-30 kg，光速c=3×10⁸ m/s．求每发生一次题中所述的核聚变反应所释放的核能．?
（3）又知地球上与太阳光垂直的每平方米截面上，每秒通过的太阳辐射能W=1.35×10³ J/m²．试估算太阳继续保持在主序星阶段还有多少年的寿命．（估算结果只要求一位有效数字）?

Answer 1

（1）设T为地球绕日心运动的周期，则由万有引力定律和牛顿定律可知?
G

Mm

r2

=mr(

2π

T

)2…①?
地球表面处的重力加速度?
g=G

m

R2

…②?
由①、②式联立解得?
M=m（

2π

T

）²

r3

gR2

…③?
代入题给数值，得M=2×10³⁰kg…④?
（2）根据质量亏损和质能方程，该核反应每发生一次释放的核能为?
△E=（4m_p+2m_e-m_α）c²…⑤?
代入数值，解得△E=4.2×10^-12 J⑥?
（3）根据题给假定，在太阳继续保持在主序星阶段的时间内，发生题中所述的核聚变反应的次数为??
N=

M

4mp

×10%…⑦?
因此，太阳总共辐射出的能量为?
E=N?△E?
设太阳辐射是各向同性的，则每秒内太阳向外放出的辐射能为?
ε=4πr²W…⑧?
所以太阳继续保持在主序星的时间为?
t=

E

?

…⑨?
由以上各式，得：t=

0.1M(4mp+2me-mα)c2

4mp×4πr2W

代入题给数据，并以年为单位，可得：t=1×10¹⁰年?
答：（1）估算目前太阳的质量为2×10³⁰kg．
（2）每发生一次题中所述的核聚变反应所释放的核能为4.2×10^-12 J．
（3）太阳继续保持在主序星阶段还有1×10¹⁰年的寿命．