Question

（15分）太陽現(xiàn)正處于主序星演化階段。它主要是由電子和、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核數目從現(xiàn)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，日地中心的距離r＝1.5×10¹¹ m，地球表面處的重力加速度 g＝10 m/s² ，1年約為3.2×10⁷ 秒，試估算目前太陽的質量M。

（2）已知質子質量m_p＝1.6726×10²⁷ kg，質量m_α＝6.6458×10²⁷ kg，電子質量 m_e＝0.9×10³⁰ kg，光速c＝3×10⁸ m/s。求每發(fā)生一次題中所述的核聚變反應所釋放的核能。

（3）又知地球上與太陽垂直的每平方米截面上，每秒通過的太陽輻射能w＝1.35×10³ W/m²。試估算太陽繼續(xù)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

解析：

（1）要估算太陽的質量M，研究繞太陽運動的任一顆行星的公轉均可，現(xiàn)取地球為研究對象。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

 

地球表面處的重力加速度     

得 

以題給數值代入，得   M＝2×10³⁰ kg

（2）根據質量虧損和質能公式，該核反應每發(fā)生一次釋放的核能為

△E＝（4m_p＋2m_e－m_α）c²

代入數值，得△E＝4.2×10^-12 J

（3）根據題給假設，在太陽繼續(xù)保持在主序星階段的時間內，發(fā)生題中所述的核聚變反應的次數為     

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  

所以太陽繼續(xù)保持在主星序的時間為  

由以上各式解得       

以題給數據代入，并以年為單位，可得t＝1×10¹⁰年＝1百億年