太陽能源

為了解釋這種能量來源，歷史上曾提出過各種假説，如碰撞產能、化學產能、放射性產能和收縮產能等。按具體計算，這些產能機制都不能以現在的太陽輻射功率(3.845×1026瓦)維持太陽年齡(約4.6×109年)的量級。只有核反應才能作為長期維持太陽輻射的能源。太陽內部核反應　原子核之間會發生碰撞，即達到核力能夠起作用的距離之內才能發生核反應。這就要求原子核具有足夠的動能，才能穿過它們之間的靜電斥力勢壘。這個勢壘大小為：式中z1和z2為兩種原子核的原子序數，r為核力作用距離，量級為10−13釐米。此式表明兩核之間的靜電斥力與它們原子序數的乘積成正比。因此原子序數小的原子核，如氫核和氦核等，容易發生核反應。太陽核心區温度T≈107K，核平均動能為E＝3kT/2＝103電子伏，仍然小於勢壘E0。根據隧道效應，一個動能低於勢壘的微觀粒子，仍然可穿越勢壘發生核反應，只是粒子動能低時反應概率減少。根據H.A.貝特等人的研究，現階段太陽的能量主要由兩種類型的核反應產生：其一是質子–質子反應鏈（常記作pp鏈）；另一是碳氮循環（常記作CN循環），分別列於表1和表2。每一次核反應產生的能量都為Q＝Q'＋Qν，Q'為電磁輻射能，Qν為中微子能量。由表1可見，pp鏈中有兩個分支反應：ppⅡ是ppⅠ三步反應中第三步的分支；ppⅢ則是ppⅡ三步反應中第二步的分支。這些分支反應的比率為Ⅰ∶(Ⅱ＋Ⅲ)＝83∶13；Ⅱ∶Ⅲ＝13∶0.001 5。太陽pp鏈和CN循環核反應的最終結果都是4個氫核合成一個氦核，由質量虧損而產生的能量為26.732兆電子伏或4.283×10−12焦。為維持太陽的光度，每秒大約消耗5×1010千克氫燃料。太陽的氫若能全部燃燒，所需時間量級為1011年，遠遠超過太陽年齡。現階段太陽能量的99％來自pp鏈，1％來自CN循環。表中核反應式為x(a，b)y，式中x為靶核，a為入射粒子，b為出射粒子，y為最後生成的核，而逗號則把反應前後的狀態分開。p、d和α分別為氫核質子、氘核和氦核，e＋、e－、γ和ν分別為正電子、負電子、光子和中微子，*表示核處在激發態。表1　pp反應鏈核反應Q'(MeV)Q(MeV)ppⅠ：p(p,e+ν)d（稱pp反應）1.1920.250α(p,γ)5He5.4945He(3He,2p)α(另一分支為ppⅡ)12.860ppⅡ：5He(α,γ)7Be1.5867Be(e－,ν)7Li(另一分支為ppⅢ)0.0490.8137Li(p,α)α17.348ppⅢ：7Be(p,γ)8B0.1378Be(e+,ν)8Be*7.97.28Be*(α)α2.995太陽中微子發射　由表1和表2可見，作為太陽主要能源的pp鏈和CN循環中，有5個反應道產生中微子。實際上表1中ppⅠ的第一步pp反應中也有兩個分支反應。這兩個分支反應的概率都很小，產生的電磁輻射對太陽輻射能的貢獻可以忽略。但其中一個反應(pep反應)的中微子發射不能忽略。這樣在太陽產能過程中就有6個反應道產生不可忽視的中微子發射。由於中微子與物質相互作用的概率極小，從太陽發射的中微子可直接逃離太陽。在地球附近的太陽中微子流量Φi與第i種產生中微子的核的反應率εi有關，而反應率εi強烈依賴於太陽內部的温度。若從理論上預言太陽中微子流量，必須知道精確的太陽構造模型，特別是温度隨深度的變化。因此，從地球上測量太陽中微子流量，並與按標準太陽模型（見太陽內部構造）推算的理論預言值進行比對，就能間接地檢驗主要依靠理論推測的標準太陽模型是否正確。太陽中微子探測　中微子與物質作用的概率雖小，但畢竟不是零。已發現一些原子核，如37Cl和71Ga等，與中微子有足夠大的碰撞概率，可作為太陽中微子探測實驗中的靶原子。從20世紀60年代後期開始，美國的布魯克黑文實驗室利用中微子與37Cl反應產生放射性37Ar的原理，探測太陽中微子。經過幾十年的測量，獲得的太陽中微子流量僅為按標準太陽模型推算的理論值的1/3。80年代開始，有兩個歐洲研究組利用反應閾能值更低的71Ga作為靶原子的探測實驗，得到的結果也低於理論值的1/2。後來，日本和加拿大的學者根據中微子與電子散射將產生切倫科夫輻射的原理探測太陽中微子，得到的結果也比理論值低得多。現有各種實驗中，測得的太陽中微子流量均比理論預言值小得多，這就是所謂太陽中微子“虧缺”問題。表2　CN循環核反應Q'(MeV)Q(MeV)15C(p,γ)15N1.94415N(e+,ν)15C1.5100.7115C(p,γ)14N7.55114N(p,γ)15O7.29815O(e+,ν)15N1.7521.0015N(p,α)15C4.966太陽中微子問題對傳統的太陽內部構造理論，甚至恆星演化理論提出了挑戰，同時也在一定程度上促進了核物理學的深入探討。為了解釋太陽中微子“虧缺”之謎，太陽研究者提出了各種各樣的非標準太陽模型，但均未獲得滿意的解答。另一方面，核物理研究表明，如果中微子有靜止質量，則將存在電子中微子轉化為τ中微子和μ中微子的振動現象。中微子從太陽到達地球的過程中，有可能發生使一部分電子中微子轉換為很難探測到的τ中微子和μ中微子的振動。因此，現有實驗中檢測到中微子流量只有理論值的1/3左右。關於中微子靜止質量和中微子振動實驗的初步結果，傾向於支持這種解釋（見中微子天文學）。 ^[1]