太阳的光是怎么来的

太阳的光和热主要来源于其核心的核聚变反应。在这个过程中，氢原子核（质子）在极高温度和压力下结合形成氦原子核，同时释放出巨大的能量。这部分能量以光子和中微子的形式辐射出来，光子经过漫长的过程，最终以可见光和热能的形式抵达太阳表面，成为太阳光和太阳热的主要来源。

这一过程不仅支撑着太阳的光和热输出，也维系着地球及太阳系内其他行星上的生命。简而言之，太阳的光和热源自于其核心持续进行的氢到氦的核聚变反应。

太阳光是太阳释放的一种电磁辐射，主要包含可见光、紫外线、红外线等多个波段。太阳内部的核聚变反应释放能量，这些能量以光子的形式在太阳内部传导，经过数百万年的时间，光子最终达到太阳表面并以电磁波的形式辐射到太空。太阳光中的可见光、紫外线和红外线等所有频段的电磁辐射，都是由这些光子携带的能量组成的。

从宇宙起源说起

有关地球的故事要从大约137亿年以前的大爆炸说起。大爆炸发生之前，宇宙中所有的物质都集中在一个极其致密的点上，这个点又被称作奇点。大爆炸相当于无数次核爆同时发生，其规模难以想象。大爆炸之初产生了氢、氦和其他元素。氢和氦是两种质量最轻的元素，它们在大爆炸中先于其他元素出现，组成了90%以上的可见物质，它们也是构成宇宙、地球乃至生命的基本元素。

宇宙大爆炸及元素形成过程

• 大爆炸初期：宇宙起源于大约138亿年前的一次极端事件，即大爆炸。在这个事件发生后的最初瞬间，宇宙的温度和密度极高，以至于物质只能以电子、光子、夸克和轻子等基本粒子以及它们的反粒子形式存在。随着宇宙的膨胀，温度和密度开始下降。
• 核合成阶段：当宇宙年龄大约为1秒时，温度降至10亿摄氏度左右，自由中子开始与质子结合，形成稳定的原子核，主要是氢（质子）和约四分之一质量的氦。这种原子核形成的过程被称为大爆炸核合成（BBN），还产生了非常少量的锂和铍。
• 原子形成：当宇宙继续膨胀和冷却，大约38万年后，宇宙的温度降低到了大约3000摄氏度，此时自由电子和原子核结合，形成了中性原子。氢是最先形成的原子，氦紧随其后。这一过程称为再结合，标志着光子停止与电子频繁散射，成为自由旅行的光子，这就是宇宙微波背景辐射的来源。
• 恒星与星际物质：氢和氦组成的气体在引力的作用下开始聚集，形成了巨大的分子云，即星际云。这些云的引力塌缩进一步促进恒星的形成。恒星内部的高温和高压条件支持核聚变反应，其中氢（质子）通过质子-质子链反应或碳-氮-氧循环转化为氦，释放出能量。
• 元素的诞生：在更重的恒星内部，更高级的核聚变过程可以发生，通过氦核聚变产生碳和氧。在更高温度和压力条件下，恒星核聚变可以生成更重的元素，如钠、镁、铝、硅、磷、硫等，直到铁。铁是核聚变过程中能量释放的上限，达到铁核后，核反应会吸收能量而非释放，导致恒星演化路径的决定性时刻，最终可能以超新星爆发的形式结束。
• 超新星和元素合成：当恒星耗尽可核聚变的燃料后，核心会发生坍缩，外部物质会向内塌缩，产生超新星爆发【恒星主要通过内部核聚变产生的能量来对抗引力，从而维持自身的稳定】。在超新星爆发的极端条件下，可以合成宇宙中绝大多数的重元素，直至铀等。超新星爆发不仅释放出巨大能量，还将这些新合成的元素抛洒到宇宙中，丰富了星际物质，为新恒星和行星的形成提供了物质基础。
• 元素的循环与传播：这些重元素，经过一系列复杂的过程，被吸收到新形成的恒星和行星中，成为构造更多复杂结构的基石。恒星生命周期的循环导致了元素的不断合成、抛射和再吸收，这一过程持续至今，形成了我们所见的丰富多彩的宇宙。

💡 注意

氢可能是宇宙中最原始的物质，也是质量最轻、数量最多的元素，其他的元素可以通过氢的聚变形成【热使电子、质子、中子等基本粒子形态发生变化】。除氢和氦之外的所有化学元素都来自恒星核合成。

太阳形成

在原始星云开始聚集的20亿~30亿年后，太阳系初步成型。太阳在其核心温度达到1000万~1500万摄氏度的时候开始发光。与此同时，氢通过核聚变形成氦。在随后的1000万年里，核聚变形成的猛烈风暴将大量的不稳定元素抛向宇宙空间。其中一部分元素参与了原行星的形成，它们最终形成了水星、金星、地球、火星等太阳系内行星；还有一些元素在距离太阳较远处吸积形成了气态的外行星，包括木星、土星、天王星和海王星。

💡 注意

星云假说主张太阳系从一巨大的有几光年跨度的分子云的碎片重力塌陷的过程中形成。

行星形成

太阳系中众多行星均被认为形成于“太阳星云”，太阳星云是太阳形成后剩余的气体和尘埃构成的盘状云。现在广泛接受的行星形成理论称为吸积，这一理论认为行星从环绕原恒星轨道上的尘埃颗粒开始形成。尘埃颗粒通过直接收缩，形成直径从一到十公里的块状物，然后它们相互碰撞，合并成大约五公里大小的物体（微行星）。通过进一步碰撞，它们的体积逐渐增大，在接下来的几百万年中大约每年增长几厘米。

在太阳系内部（中心直径4天文单位以内的区域），温度过高，导致像水和甲烷这样的易挥发物质难以凝结，所以那里形成的微行星只能由熔点较高的物质构成，如铁、镍、铝和石状硅酸盐。这些岩石类天体最终成为类地行星（水星、金星和地球）。但这些物质在宇宙中很稀少，大约只占星云质量的0.6%，因此类地行星的大小不会变得很大。类地行星胚胎在太阳形成100,000年后达到约0.05地球质量的大小，之后停止吸积；随后，这些行星大小的天体间的相互碰撞与合并使它们成长为今天的类地行星。类地行星的物质成分是太阳核心成分的关键参考。

类木行星（木星、土星、天王星和海王星）形成于更远的冻结线之外，在介于火星和木星轨道之间的区域，这里的物质冷到足以让易挥发的冰状化合物保持固态。类木行星上的冰比类地行星上的金属和硅酸盐更丰富，这使得类木行星可以迅速增长至足够大的质量，从而俘获氢和氦这两种最轻和最丰富的元素。冻结线外的微行星在300万年内聚集了相当于地球质量的四倍。如今，这四颗类木行星的质量占了所有环绕太阳天体总质量的99%。理论认为，木星正好位于冻结线的外缘不是巧合。冻结线聚集的大量由向内降落的冰物质蒸发而来的水，形成了一个低压区，加速了轨道上尘埃颗粒的速度，阻止了它们向太阳的沉降运动。实际上，冻结线起到了阻挡作用，导致物质在距离太阳约5天文单位处迅速聚积。这些过量的物质聚集成为一个大约有10个地球质量的胚芽，开始迅速吞噬周围星盘中的氢，只用了1000年就达到150倍地球质量的大小，并最终达到318倍地球质量。土星质量较小可能是因为它比木星形成晚了几百万年，当时可用的气体已经减少。

类地行星

类地行星的成分被学者认为与太阳核心的成分存在高度相关性，行星形成时代结束后内太阳系有50－100个月球到火星大小的行星胚胎。进一步的生长可能只是由于这些天体的相互碰撞和合并，这一过程持续了大约1亿年。这些天体互相产生重力作用，互相拖动对方的轨道直到它们相撞，长得更大，直到最后我们今天所知的4个类地行星初具雏形。其中的一个这样的巨大碰撞据信导致了月球的形成, 另外一次剥去了早期水星的外壳。

宇宙的尺度

宇宙尺度在线体验 - 是一个在线互动网站，主要功能是帮助用户通过直观的视觉体验理解宇宙的尺度。这个网站展示了从亚原子粒子到宇宙最大结构的尺度，允许用户探索从极微观到极宏大的一切。

核聚变反应

太阳的能量主要来自将氢融合为氦时的核聚变反应。核心是太阳内部唯一能经由核聚变产生能量的地方，以阳光的形式释放出热，从核心向外传输的能量加热了太阳其余的部分。所有经由核聚变产生的能量在太阳内部必须多次游遍各个层次之后，才能以阳光或微粒的动能形式逃离太阳。

PP链反应

PP链反应，全称为质子-质子链反应（Proton-Proton Chain Reaction），是太阳和许多类太阳恒星核心中最为主要的能量产生机制。这些恒星的核心温度通常在1000万度到2000万度之间，如此高温高压的环境为核聚变反应提供了理想条件。PP链反应是一系列核反应的集合，这些反应将氢核（质子）转化为氦核，并在此过程中释放出大量能量，这些能量维持着恒星的发光和热量输出。

第一步反应

第一个步骤是两个氢原子核${}^1H$（质子）融合成为氘，一个质子经由释放出一个$e^+$和一个中微子成为中子。

${}^1H + {}^1H \rightarrow {}^2H + e^+ + ν_e$（释放能量为$0.42MeV$）

第一个步骤进行的非常緩慢，因为它依赖的吸熱的$β$正电子衰变，需要吸收能量，将一个质子转变成中子。事实上，这是整个反应的瓶颈，一个质子平均要等待109年才能融合成氘【氢的三个同位素：氕、氘、氚】。

正电子立刻就和电子湮灭，它们的质量转化成两个$γ$射线的光子被带走。

$e^+ + e^− \rightarrow 2γ$ （释放能量为$1.02MeV$）

在这之后，氘先和另一个氢原子融合成较轻的氦同位素${}^3He$：

${}^2H + {}^1H \rightarrow {}^3He + γ$ （释放能量为$5.49MeV$）

然后有三种可能的路径来形成氦的同位素${}^4He$。在PP1分支，氦-4由两个氦-3融合而成，在PP2和PP3分支，氦-3先和一个已经存在的氦-4融合成铍。

PP1分支

${}^3He +{}^3He \rightarrow {}^4He + {}^1H + {}^1H + 12.86MeV$

两个质子首次被转化为${}^4He$，同时释放出两个质子和大量的能量，这些能量以伽马光子的形式释放到恒星内部，最终转化为光和其他热辐射。完整的PP1链反应是放出的净能量为$26.7MeV$。PP1分支主要发生在一千万至一千四百万K的溫度，当溫度低于一千万K时，质子﹣质子链反应就不能制造出${}^4He$。

PP2分支

不同于PP1分支（主要路径），PP2分支涉及更多复杂的核素形成和转换，它在高温条件下贡献于恒星的能量输出。以下是PP2分支的具体过程：

1. ${}^3He + {}^4He \rightarrow {}^7Be + \gamma$

   这是PP2分支的第一步，其中氦3核（${}^3He$）与氦4核（${}^4He$）融合，形成铍7核（${}^7Be$），并释放出一个伽马光子（$\gamma$）。${}^7Be$是一种不稳定的核，拥有较短的半衰期。

2. ${}^7Be + e^− \rightarrow {}^7Li + \nu_e$

   在这一步，铍7核（${}^7Be$）通过电子捕获过程与一个电子（$e^−$）反应，生成锂7核（${}^7Li$），并释放出一个电子中微子（$\nu_e$）。电子捕获过程是电子被原子核吸收，使得核内的一个质子转化为一个中子。

3. ${}^7Li + {}^1H \rightarrow {}^4He + {}^4He$

   最后一步，锂7核（${}^7Li$）与一个质子（${}^1H$）进行反应，生成两个氦4核（${}^4He$）。这个反应实质上是一个复杂的核融合过程，将${}^7Li$和${}^1H$的核子重新排列，形成两个${}^4He$核。

PP2分支特点：

• 高能反应链：PP2分支是一个更复杂的核反应链，涉及较高能量级别的核反应。这意味着它在相对较高的温度和压力下更容易发生，因此对于质量较大、核心温度和压力更高的恒星来说，PP2分支的贡献可能更为显著。

• 贡献比例：相比于PP1（主要路径），PP2分支在太阳和类似恒星中贡献的能量相对较小，但在较重的恒星中，由于其核心条件更适宜，PP2分支的贡献可能占到总能量产生量的一个重要部分。

• 反应链细节：PP2分支的各个步骤都涉及到不稳定的核素，如${}^7Be$和${}^7Li$，这些核素的存在和转换是这一反应路径的关键特征。

PP2分支的重要性：PP2分支在理解恒星内部的核聚变过程以及能量生成机制方面具有重要意义，特别是对那些质量、温度和压力条件适宜以支持这些高能反应的较重恒星。通过这一系列反应，氢核持续转化为氦核，并在此过程中释放出大量能量，维持恒星的光和热。

PP2分支主要发生在一千四百万至二千三百万K的溫度。90%的在${}^7Be(e^−,ν_e){}^7Li$的反应中产生的中微子，90%帶有$0.861MeV$的能量，剩余的10%帶有$0.383MeV$的能量（依据锂-7是在基能还是激发能而定）。

PP3分支

PP3分支涉及一连串的核反应，将氢核（质子）最终转化为较重的核，同时释放能量。下面是PP3分支的具体过程和解释：

1. ${}^3He + {}^4He \rightarrow {}^7Be + \gamma$

   这是PP3分支的第一步，一个氦3核（${}^3He$）和一个氦4核（${}^4He$）结合，形成铍7核（${}^7Be$）并释放一个伽马光子（$\gamma$）。${}^7Be$是一个不稳定的核素，但在这个过程中是作为一种过渡态存在的。

2. ${}^7Be + {}^1H \rightarrow {}^8B + \gamma$

   接下来，铍7核（${}^7Be$）与一个质子（${}^1H$）反应，形成硼8核（${}^8B$）并释放出另一个伽马光子（$\gamma$）。${}^8B$同样是一个不稳定的核。

3. ${}^8B \rightarrow {}^8Be + e^+ + \nu_e$

   ${}^8B$随后通过β+衰变（正电子发射）转化为铍8（${}^8Be$），同时产生一个正电子（$e^+$）和一个电子中微子（$\nu_e$）。在这个过程中，正电子会迅速与电子对撞并湮灭，释放出额外的伽马光子。

4. ${}^8Be \leftrightarrow {}^4He + {}^4He$

   ${}^8Be$是一种不稳定的核，会迅速分解成两个氦4核（${}^4He$）。然而，在某些条件下，两个${}^4He$也可以融合形成${}^8Be$，这是一个可逆反应。${}^8Be$的形成和分解是整个PP3分支中一个关键的不稳定状态，但是因为它的短暂存在，实际中更常见的是它迅速分解回两个${}^4He$。

PP3分支的重要性：PP3分支相比于主链PP1和PP2，虽然发生的频率较低，但因为在高温、高密度的恒星核心条件中，它的发生率随温度的增加而显著增强，因此在质量较大、核心温度更高的恒星中的能量贡献比例会更大。这个路径通过链式反应将更多的质子转化为氦核（${}^4He$），从而参与到了恒星内部能量产生和氢核燃烧的过程中。

PP3分支反应发生在二千三百万K以上的溫度。PP3分支虽然不是太阳主要的能量来源（只占0.11%），但在太阳中微子问题上非常重要，因为它产生的中微子能量是非常高的（高达$14.06MeV$）。

PP4或Hep

虽然预测上有这种反应，但因为极为罕见（在太阳中只占千万分之三的量），因此从未曾在太阳中被观测到。在此种反应中，氦-3直接和质子作用成为氦-4，可以产生能量更高的中微子（高达$18.8MeV$）。

${}^3He + {}^1H \rightarrow {}^4He + ν_e + e^+$

💡 注意

在太阳，PP1最为频繁，占了86%，PP2占14%，PP3占0.11%。还有一种是极端罕见的PP4分支。

PEP反应

PEP反应，全称Proton-Electron-Proton reaction，是太阳和其他恒星内部核聚变过程中的一个特定反应路径。尽管在太阳内部PP链反应的相对贡献中，PEP反应的贡献比PP1、PP2和PP3分支小得多，但在非常低金属丰度的恒星中，PEP反应的重要性更加突出。

PEP反应的关键过程是：

${}^1H + e^− + {}^1H \rightarrow {}^2H + ν_e$ （释放能量为$0.44MeV$）

这里，两个氢核（${}^1H$，也就是质子）和一个电子（$e^-$）通过弱相互作用转化为一个氘核（${}^2H$）和一个中微子（$\nu_e$）。具体过程是，一个电子和一个质子会相互作用，电子会被“吸收”并转变成中微子，同时另一个质子与产生的中性粒子结合形成氘核。这个过程会在高温、高压下发生，因为它需要克服库仑力的斥力。

PEP反应释放的能量大约为0.44MeV，这与PP链反应中的第一步（$p + p \rightarrow {}^2H + e^+ + \nu_e$，释放能量为0.42MeV）相近，但发生的频率要低得多。因为在太阳中，质子与质子直接反应的概率相比质子、电子结合的概率要高，使得PP链反应成为太阳能量产生中的主导途径。

PEP反应不仅是太阳内部能源生成的一部分，同时也给核天体物理学提供了重要的信息，帮助科学家们理解星体内部的物理过程和元素生成机制。

在太阳，PEP反应和PP反应的比率是1：400，但是PEP反应产生的中微子拥有更高的能量：在PP反应的第一步产生的微中子能量是$0.42MeV$，而PEP反应产生的中微子谱线能量集中在$1.44MeV$。

PEP反应的特点：

• 高能量阈值：相比PP链反应的其他分支，PEP反应拥有更高的能量阈值，这意味着它在更高温度和压力的环境中才会显著发生。
• 中微子的产生：PEP反应的直接产物之一是中微子，这使得它对于探测太阳内部条件和验证核物理学理论具有重要意义。
• 低金属丰度星的影响：在低金属丰度的恒星中，PEP反应的相对重要性可能增加，这是因为这些恒星中其他复杂反应路径由于金属（重元素）的缺乏而变得不那么有效。

能量释放

比较最后产生的氦-4和4个质子的质量，显示少了0.7%的质量。这些质量被转化成了能量，在各自的反应中以$γ$射线和中微子的形式释放出去。在一个完整的反应链可以得到$26.73MeV$的能量。

只有以$γ$射线释放的能量会和电子与质子作用来加热太阳的內部。这些热量支撑着太阳使它不致于因为本身的重量而崩溃。

💡 注意

中微子不会与一般的物质发生交互作用，而且不会支持太阳去对抗本身的重力崩溃。中微子在PP1、PP2和PP3链分別带走2.0%、4.0%和28.3%的能量。

能量传输

在核聚变释放出的高能量光子（$γ$射线和$X$射线）经由迂回曲折的路径与减速，和在一定的吸收和再辐射转换成更低的能量形态后，才能抵达太阳的对流层（相当于地球的地幔），因此需要很长的时间才能抵达太阳的表面。 估计“光子旅行时间”可以长达5,000万年，最短的也要17,000年。在旅程的终点，穿过透明的光球层之后抵达表面，以可见光的形式离开太阳。在核心的每一个$γ$射线在进入太空之前，都已经被转换成数百万个可见光的光子。但同样在核心产生，不同于光子的中微子，却很少遭遇到与物质传输间的问题，几乎立刻就能抵达太阳的表面并逃逸入太空。

在太阳的核心，核聚变反应释放出高能量的光子，主要包括$γ$射线和高能$X$射线。由于太阳核心的温度极高，密度也相当大，这些光子在向太阳表面传播的过程中会经历复杂而漫长的过程。

光子的旅程：

• 光子的多次散射：在太阳核心产生的高能量光子会与周围的粒子（主要是氢原子和自由电子）发生散射。每次散射都会改变光子的方向，使它的路径变得复杂且曲折。光子在一次散射后，可能只会前进非常短的距离，再遇到下一个粒子进行下一次散射，这个过程导致了光子的路径变得极为曲折。
• 能量转化：光子在每次散射过程中会损失一部分能量，转化成较低能量的光子，这样经过多次散射，原本的高能光子可以逐渐变为可见光光子。这个能量的转化和散射过程非常缓慢，因此光子从太阳核心到表面的旅行需要极其漫长的时间。
• 逃逸时间：由于太阳核心的密度大，散射频繁，光子到达太阳表面的过程非常耗时。根据估计，光子从太阳核心行至太阳表面的过程可能需要从17,000年到5,000万年的时间，这取决于光子的具体路径和所经历的散射次数。

中微子的对比：

中微子是另一种在核聚变过程中产生的粒子，与光子不同，中微子与物质的相互作用极其微弱。这意味着中微子在穿越太阳内部时几乎不受阻碍，它们能够几乎立即从太阳核心“穿”出太阳表面并释放到太空中。相比之下，中微子的逃逸时间近乎瞬间，完全不受到太阳内部物质的显著减速影响。

可见光的释放：

当光子最终抵达太阳的对流层，经过多次散射和能量转化后，它们主要以可见光的形式离开太阳。这些可见光光子穿过太阳的透明光球层，最终释放到太空，成为太阳光的主要组成部分。

能量统计

每秒钟大约有$3.6×10^{38}$个质子（氢原子核）融合成为氦原子核；每秒钟430万吨的质量转换成能量；每秒钟释放出的能量是$3.87×10^{26}$焦耳，相当于$9.1×10^{10}$百万吨TNT爆炸当量。核聚变的效率取决于密度，所以融合的效率在核心会取得自动修正的平衡：融合速率略微升高将加速核心释放出更多的热量，热膨胀会将质量向外推挤使密度略微下降使反应速率下降。这种摄动;这种轻微的速率下降造成核心的收缩和冷却，又会加速融合的效率，使他再恢复到原来的标准【因此才能保持稳定】。

电磁波

电磁波本质上是电场和磁场在空间中相互垂直且同时变化的波动现象，其能量是量子化的，能量的最小单位就是光子。光子没有静止质量，以光速运动，其能量与频率有关，遵循普朗克能量公式 ($E = h\nu$)，其中 ($E$) 是光子的能量，($h$) 是普朗克常数，($\nu$) 是光子的频率。

波谱

电磁波不需要依靠介质进行传播，在真空中其传播速度为光速。电磁波可按照频率分类，从低频率到高频率，主要包括无线电波、兆赫辐射、微波、红外线、可见光、紫外线、$X$射线和伽马射线。人眼可接收到的电磁波，波长大约在380至780nm之间，称为可见光。

参考文献

1. 太阳核心. Wikipedia.
2. 太阳系的形成与演化. Wikipedia.
3. 电子传递链. Wikipedia.
4. 质子链反应. Wikipedia.
5. 电磁波. Wikipedia.