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部的温度和密度是不是已经达到了可以发生核反应的程度，并使恒星像一座核电站一样地工作。恒星的表面温度无论如何是达不到这么高的。但我们怎么才能知道恒星内部的温度呢？来自恒星的光都是从它表面的一个薄层内发出来的。太阳的光就是来自只占太阳总质量千亿分之一的“大气”层内。我们不能看到更深的内部。但是我们对太阳的内部比对地球的内部知道得更详细。这是怎么可能的？这是怎样做到的？下一章将详细说明。
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3．恒星——天上的核电站我们还不能准确知道，补偿恒星辐射的能源是否就是核反应。虽然现在还没有发现其他产能率更高的能源，但这并不能排除还有其他能源存在的可能性。也许未来的物理知识能够帮助我们找到至今还不知道的某种产能机制，即找到像某些科学幻想小说家所预言的能源？在上一章中我们已经看到，星团的某些性质支持这样的假设，即在恒星内有核能产生。在本章以及以下章节内我们将肯定这个假设的正确。因此我们不需要再去寻找新的至今还不知道的能源。核物理学家最近已清楚地向天文学家解释了恒星辐射的原因。但是在本世纪20年代的初期，物理学家还不相信在恒星内部会发生核反应！这和原子的结构有关系。原子的组成部分世界上所有的物质——岩石或矿物，空气或大海，动植物的细胞，以及宇宙中的气体星云和恒星——最终都是由92种化学元素所组成。这个在19世纪业已获得的知识使我们对物质的认识大大简化了。到本世纪，我们又可以指出，92种化学元素最终是由三种类型的基本物质所组成，它们是：质子，中子和电子。例如氦原子和碳原子的不同之处只不过是它们是由不同数目的三种基本物质所组成的（图3…1）。■氦原子核是由两个质子和两个中子所组成。质子是带正电的粒子，因此氦原子核是带正电的。围绕着氦原子核有两个带负电的轻粒子，两个电子，它们形成了氦原子的电子壳层。碳元素的结构较为复杂一些。它的原子核也是由质子和中子所组成。它的质子是6个，中子也是6个。但是在外部的电子壳层中还有6个电子围绕着原子核运动。这里最简单的原子是氢原子。它的核由一个质子组成，有一个电子围绕这个质子在不停地运动。质子和中子的质量大致相同。虽然和我们习惯的重量相比较，它们的重量是无法称出来的，但人们叫它们为重粒子。假如可以把一万亿个这样的重粒子放到一个天平上去称，那么它们的总重量大约是一克的一万亿分之一。电子的质量大约是质子质量的两千分之一。质子带的是正电，电子带的是负电，当质子和电子在一起时，它们正好呈电中性。有时还会出现一种粒子，它的质量和电子的质量相同，但它是带正电的。这种粒子就是正电子，不过正电子的生命很短。当它飞过电子的近旁时，就会和电子立即合并。电子和正电子湮没时会发射出一个光子。所有的原子核都是由一定数目的质子和中子所组成。通常原子核中有多少个质子，它的外部就有多少个电子在围绕着它运动。从而使原子核中
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质子所带正电荷正好被电子所带的负电荷所中和。实际上人们还可以更简单地认为，物质世界不是由三种基本物质即质子、中子和电子所组成，而是由两种基本物质组成。由于在原子核内质子可以和电子聚合成中子，而在原子核外一个中子可以经过大约17分钟以后衰变为一个质子和一个电子。因此可以认为，物质世界实质上是由质子和电子所组成。原子核中的质子数与中子数之和称为原子核的质量数。而原子核的质子数称为原子序数。氢的质量数是1，原子序数也是1。氦的质量数是4，原子序数是2。常见的铁原子质量数是56，原子序数是26。围绕原子核运动的电子数必须和原子序数相同，才能使原子整体呈电中性。电子壳层决定了元素的化学性质。所以原子序数不同的元素，它们的电子壳层不同，因而化学性质也不同。原子序数相同而中子数不同的原子，它们的质量数不同，但化学性质相同。人们称它们为同一元素的同位素，例如除了正常的氢以外，还有氢的同位素——重氢。重氢的原子核是由一个质子和一个中子组成。氢的这个同位素称为氘，在自然界中仅存在极少量的氘。一块铁和气球中的氢气虽然区别很大，但它们都是由质子和电子组成。假如人们取56个氢原子，并把它们的56个质子和56个电子进行某种组合，即将其中的30个电子和30个质子组合成30个中子，然后再将这些中子和其余的26个质子组合成原子核，并且让剩余的26个电子围绕着这个核运动，那么人们就由氢创造出一个铁原子。如果取4个氢原子，将其中的2个电子和2个质子组合成2个中子，然后再将它们和剩余的两个质子组合成原子核，于是就可以创造出质量数为4、原子序数为2的原子核，使得两个剩余的电子围绕着这个核运动。这样人们就可以把氢聚合成为氦。在这个过程中将有能量释放出来，但是原子核之间并不是那么容易发生聚变的。阿瑟·爱丁顿与恒星的能源1926年剑桥大学著名的“普卢姆（Plume）”天文学教授，阿瑟·爱丁顿（ArthurEddington）爵士出版了他的《恒星内部结构》一书。这在当时是一部关于恒星内部物理科学的卓越著作。爱丁顿本人曾对此领域有过重大的贡献。那时已经发展了一个关于恒星内部的理论，不过这个理论还缺少了一部分关键内容，即能量是如何产生的。那时人们已经知道，氢含量很丰富的恒星物质必定是理想的产能原料。人们也知道，当氢转变为氦时将会有能量释放出来，而且释放出的能量可以维持太阳和恒星的向外辐射达数十亿年以上。因此很清楚，假如能够知道氢在什么情况下可以发生聚变，人们就等于找到了一个巨大的能源。然而在当时，人们距离通过实验将氢聚变为氦还相当远。当时的天体物理学家除了相信恒星是巨大的核电站以外，别无其他选
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择。因为他们想象不出还有其他的过程可以释放出这么多能量，以补偿太阳的辐射达数十亿年。爱丁顿最彻底地阐明了这一点。当他提到观测天文学家所进行的大量的和重复的恒星亮度观测时，写道：“测量核能的释放是大量天文观测内容之一。如果在我的书中不是所有都错误的话，那么我们已经相当清楚地知道，恒星物质必须在多大密度和多高温度下，才能发生这样的过程。”遗憾的是，当时的物理学家却认为，在恒星内部原子核是不可能发生反应的。当时爱丁顿已经能估计出太阳内部的温度。太阳通过重力把它的物质聚集在一起，重力将物质拉向中心。然而太阳物质并没有简单地落到太阳中心去，这是因为太阳的气体具有一定的压强。气体压力的作用和重力相反，它将物质向外推出。这两个力互相平衡。同样的现象也存在于地球大气中。假定没有重力，空气就会被本身的压力吹到空间中去。相反，如果没有空气压力，大气层就会落到地球表面上来。人们可以计算出吸引太阳物质的重力的大小，而和重力处于平衡的气体压力必须和它相等。气体压力和它的密度、温度有关。人们知道太阳物质的密度，因为太阳的质量和它的体积是已知的，太阳物质的压力有多大？这将取决于它的温度。气体的温度越高，压力就越大。在太阳内部气体的温度到底达到多高才能使重力和压力维持平衡？爱丁顿估计恒星中心区域的温度达到4000万度。这个值对于我们来说好像很高，然而核物理学家却认为，要想发生核反应，这个值是太低了。在这样的温度下太阳内部的原子以每秒1000公里的速度运动。氢原子早已失去了电子，它们的质子可以在空中自由飞行。偶尔会发生两个质子相遇，但它们带的都是正电，又互相排斥。当质子以每秒1000公里的速度运动时，两个质子虽然可以运动到很靠近，但是在达到能使它们发生聚变的距离之前，就会被电荷排斥力推开。为了使氢原子变成氦核，还必须使4个质子和两个电子，即6个粒子同时在一个地方相遇——这个可能性很小！即使6个粒子都同时飞到一起，但电荷力会使它们的运动轨道偏转而阻止聚变的发生。只有当温度达到几百亿度，使粒子以极快的速度飞行，这时虽然有电荷力的作用，但也能发生聚变。当时，物理学家们认为，太阳内部的温度只有