Question

1．天文学家测得银河系中氦的含量约为25%，有关研究表明，宇宙中氦生成的途径有两种：一是在宇宙诞生后3分钟左右生成的；二是在宇宙演化到恒星诞生后，由恒星内部氢核聚变反应生成的．
（1）把轻核聚变反应简化为4个氢核（H）聚变成氦核（He），同时放出两个正电子（e）和两个中微子（ν），请写出氢核聚变反应的方程式，并计算一次反应释放的能量．
（2）研究表明，银河系的年龄约为t=3.8×10¹⁷s，每秒钟银河系产生的能量约为1×10³⁷J（即P=1×10³⁷J/s），现假定该能量全部来自于上述轻核聚变反应，试估算银河系中氦的质量（最后结果保留一位有效数字）．
（3）根据你的估算结果，对银河系中氦的主要生成途径作出判断．
〔可能用到的数据：银河系质量为M=3×10⁴¹kg，原子质量单位1u=1.66×10^-27kg，1u相当于1.5×10^-10J的能量，电子质量M_e=0.0005u，氦核质量M_α=4.0026u，氢核质量M_H=1.0078u，中微子（ν）质量为零．〕

Answer 1

分析 （1）根据质量数与核电荷数守恒写出核反应方程式．由质能方程求出和、核反应释放出的能量．
（2）先求出氦的质量，然后再求出氦的含量．
（3）根据核反应生成的氦与太阳中氦的含量间的关系分析答题．

解答 解：（1）由质量数与核电荷数守恒可知，
核反应方程式为：4${\;}_{1}^{1}$H→${\;}_{2}^{4}$He+2${\;}_{1}^{0}$e+2v_e，
核反应中的质量亏损：△m=4m_p-m_α-2m_e，
释放出的核能：△E=△mc²=4.14×10^-12J；
（2）核反应产生的氦的质量：m=$\frac{pt}{△E}$×m_α=6×10³⁹kg，
（3）氦的含量k=$\frac{m}{M}$=$\frac{6×1{0}^{39}}{3×1{0}^{41}}$≈2%；
由估算结果可知，k≈2%远小于25%的实际值，
所以银河系中的氦主要是宇宙诞生后不久生成的．
答：（1）核反应方程式：4${\;}_{1}^{1}$H→${\;}_{2}^{4}$He+2${\;}_{1}^{0}$e+2v_e，一次反应释放的能量为4.14×10^-12J；
（2）银河系中氦的质量约为6×10³⁹kg；
（3）银河系中的氦主要是宇宙诞生后不久生成的．

点评 核反应过程中质量数与核电荷数守恒，这是写核反应方程式的关键；应用质能方程可以求出释放的核能．