（教師用書）2020學(xué)年高中物理 第六章第2節(jié) 恒星的生命歷程素材 新人教版必修2

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1、恒星的生命歷程 像地球上的萬物一樣，恒星也有一個產(chǎn)生、發(fā)展、滅亡的過程。 一、恒星的誕生 在恒星起源問題上，現(xiàn)在主要有兩種觀點(diǎn)：一種觀點(diǎn)認(rèn)為恒星是由彌漫物質(zhì)凝聚形成的，稱“彌漫說”；另一種觀點(diǎn)認(rèn)為，恒星是由超密物質(zhì)爆發(fā)形成的．不過，越來越多的觀測證據(jù)支持“彌漫說”，并逐漸得到大多數(shù)天文學(xué)家的公認(rèn)．下面介紹這一觀點(diǎn)。 設(shè)想在銀河系里，遠(yuǎn)離我們幾千光年的某個地方，一團(tuán)巨大的星際氣體和塵埃云寂靜地穿越近于完全真空的空間．這團(tuán)星際云的稀疏邊緣向四周黑暗延伸幾兆英里之遙．星際云占有如此廣漠的空間，因此盡管它具有巨大的質(zhì)量，但原子在星際云的龐大體積里的分布是很稀疏的。 某個特定的時候，在來

2、自宇宙空間沖擊波的作用下，相距很遠(yuǎn)的原子突然緊緊地?fù)頂D在一起，星際云本來是透明的，但由于原子靠近在一起，微弱的星光不再能穿透通過，這時星際云變成了暗星云．沖擊波的另一個作用效果是使有些地方含有比平均數(shù)稍多的原子數(shù)，有些地方含有比平均數(shù)略少的原子數(shù)，含原子數(shù)多的地方引力大，會把附近的原子吸引過來。以這種方式，星際云開始瓦解成團(tuán)塊或球狀體。 球狀體是不穩(wěn)定的，在引力作用了球狀體開始收縮，變得越來越小，其核心的壓力越來越大，溫度也隨之不斷上升．當(dāng)溫度上升到一定程度后，它內(nèi)部深處的氣體開始發(fā)光，這時球狀體不再是暗黑的了，它已轉(zhuǎn)變?yōu)橐活w原恒星。原恒星繼續(xù)收縮，當(dāng)原恒星中心的溫度達(dá)到一千萬度時，氫燃燒了

3、，4個氫原子核結(jié)合在一起生成了氦核，這就是我們常說的熱核反應(yīng)（氫核聚變）．在這個過程中，減少的質(zhì)量轉(zhuǎn)換為純粹的能量．由于氫燃燒釋放出巨大的能量，原恒星最終能支撐住它的外層質(zhì)量，于是收縮停止了，一顆恒星由此誕生了． 二、恒星的演化 以太陽為例來說明恒星的演化．大家都知道，太陽能夠發(fā)光的原因是因?yàn)樗诓粩嗟剡M(jìn)行熱核反應(yīng)釋放出巨大的能量，我們看到的光就是太陽熱核反應(yīng)放出的能量．每一秒鐘，在太陽的中心有6億噸氫轉(zhuǎn)換成氦，釋放出的巨大能量一方面向外界釋放，另一方面用來支撐自己外層的巨大質(zhì)量．隨著時間的推移，太陽中心氦的數(shù)量越來越多，而氫的供應(yīng)越來越少，直到某一天氫用完了，燃燒便中斷了．由于不再有能量

4、向外流出，太陽的核心部分在引力作用下變得不穩(wěn)定，無力支撐住自己的質(zhì)量，所以含有豐富氦的太陽核心開始收縮，太陽中心的壓力和溫度迅速增加，使核心以外的各層被加熱．由于太陽核心與表面之間的各殼層仍然包含充裕的氫，在經(jīng)過比較短的時間以后，收縮的核心上面的溫度達(dá)到400萬開左右，這個溫度高到可使圍繞太陽核心的一個殼層內(nèi)的氫燃燒，同時，核心的這種收縮把大量的引力能轉(zhuǎn)換成熱能，把太陽大氣向外推出． 隨著殼層氫燃燒的開始，太陽突然有了新的熱核反應(yīng)能源．太陽無活力核心的不斷收縮和這種新的向外大量供應(yīng)能量，造成太陽發(fā)生巨大的膨脹．由于太陽的結(jié)構(gòu)要保持與這種新能源的平衡，所以太陽的外層越來越向外擴(kuò)展．大氣膨脹就會

5、引起自身濕度降低，最終太陽的表面溫度降低到4000開．溫度為4000開的物體發(fā)出的主要是紅色的光，此時的太陽就變成了一顆紅巨星．變成紅巨星的太陽將變得很大，它將吞沒地球，地球?qū)⒒癁檎羝? 在太陽外層膨脹和冷卻的同時，無活力的核心壓縮也在進(jìn)行，太陽內(nèi)部深處的溫度升到新的高度．最后，太陽中心的氦原子核在1億度的高溫下，以高速相互碰撞的形式而熔合成碳和氧，于是出現(xiàn)氦燃燒的新的熱核反應(yīng)．氦燃燒所產(chǎn)生的新的能量輸出，阻止了恒星核心的進(jìn)一步收縮．當(dāng)氦耗盡時，便到了類似太陽這樣的恒星的生命發(fā)展的最后階段．由于沒有能力點(diǎn)燃任何新的熱核反應(yīng)，所以恒星會一直收縮，直到體積與地球大小差不多，這時，太陽就變成了一顆

6、白矮星． 三、恒星的死亡 從現(xiàn)在起再過50億年，太陽就會變成一顆白矮星而終結(jié)自己的恒星歷程．白矮星的體積不會再繼續(xù)縮?。《忍祗w物理學(xué)家錢德拉塞卡發(fā)現(xiàn)，是“電子簡并壓力”支撐住了死亡的恒星，使白矮星不再繼續(xù)收縮．這種簡并壓力并不是無限強(qiáng)大的，電子簡并壓力所支撐的物質(zhì)總量有一個上限，這個很重要的上限是1．4個太陽質(zhì)量，換句話說，只有那些殘骸質(zhì)量小于1．4個太陽質(zhì)量的恒星才能變成白矮星，白矮星的密度值一般是每立方厘米60噸． 如果恒星遺骸的質(zhì)量大于1．4個太陽質(zhì)量的話，由于電子簡并壓力無法支撐住這個質(zhì)量的壓力．不得不繼續(xù)收縮，這時出現(xiàn)了“中子簡并壓力”．這種強(qiáng)大的壓力隨即有力地抗拒任何進(jìn)一步

7、的擠壓，這時，恒星的遺骸就被壓成了一顆中子星．同樣，中子簡并壓力不可能支撐住大于3個太陽質(zhì)量的燃余恒星物質(zhì)，因而所有中子星包含的物質(zhì)必定小于3個太陽的質(zhì)量．中子星的密度值一般是每立方厘米6億噸． 自然界里，有許多恒星有巨大的質(zhì)量，有些星系甚至包含40或50個太陽質(zhì)量的物質(zhì)．這類恒星的遺骸很有可能大于3個太陽質(zhì)量，這類恒星的遺骸是電子、中子簡并壓力所無法支撐的．自然界中沒有任何力量能支撐住它們，因此，在嚴(yán)酷無情的引力作用了它們只能不停地收縮．成萬億噸的燃余恒星物質(zhì)的無比巨大質(zhì)量從四面八方向里擠壓，使這顆星變得越來越小，這顆恒星就這樣從宇宙中消失了，遺留下來的東西被稱為黑洞．它由一個奇點(diǎn)（單一的點(diǎn)）和視界組成． 黑洞以貪婪的、永無滿足的方式吞噬東西，物體一旦掉進(jìn)黑洞就永遠(yuǎn)從我們的宇宙中移去了．因?yàn)檫@種物體不再是我們宇宙的一部分，所以它的許多特性便再也檢測不到．加到黑洞上去的不管是l公斤白金，1公斤氫，或者1公斤有生命的組織，我們只把它看作是加上去三公斤質(zhì)量，并不考慮在此之前它是什么東西．