写给孩子的天文课

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光子的坎坷旅程 我们平常看见的太阳表面是光球层，光球 层是什么呢？光球层是太阳大气下方的区域，它 辐射出大量可见光波段的光子，是我们肉眼容 易看到的表面，这正是我们平常所看见的太阳光 的来源。光球层的厚度不超过500千米，小于太 阳半径的千分之一。 我们难以直接观察到光球层以内的太阳内 部。但是，正如通过研究地震波来推断地球的内 部结构一样，我们也可以用研究太阳内部的压力 波来推断太阳内部的结构。 距离太阳中心不超过约20万千米（相当于 太阳半径的2/7）的区域是太阳的核心，那里密 度很高，是水密度的150倍，温度高达约1500万 开尔文（绝对温度）。太阳90%的质量都是处于 距离太阳核心0.5倍半径区域内，由此可见，太 阳核心的密度之高。太阳的核心区是太阳内核聚 变的区域，能产生大量高能伽马射线光子，光子 的“旅途”起点便是这里。 太阳的核心区是电子和质子的“闹市区” 。光子在前进过程中，会与电子、质子发生散射 ，近似于碰撞，每次的散射都会导致光子前进的 路线发生偏折，造成光子能量有所损失。量子力 学告诉我们，光子更喜欢（有更高的概率）与电 子发生散射；如果仅粗略估计，光子与质子之间 发生的散射几乎能忽略。 行进过程 我们可以想象，一个光子在行进过程中， 被临近的一个电子散射，方向发生改变，能量减 小了一部分，又遇到另一个电子，能量再次受损 ，接着又遇到多个电子，经历相似的遭遇。但是 ，不管道路如何艰难，光子从未停止前进的脚步 。 到了辐射层，情况变得更加复杂了。辐射 层是距离太阳核心大约20万千米到50万千米的 区域，温度较核心区有所降低，但依然高达几十 万开尔文，粒子密度依然很高，而且粒子种类多 了核心区罕见的原子。在原子中，电子是被束缚 住的。光子到达这里后，如果遇到原子，就会被 原子吸收。它就像一个英雄，会把束缚的外层电 子从原子核的束缚中解救出来，成为自由电子。 虽然原来的光子被吸收了，但这个过程会辐射出 一个能量更低的新光子。 经过多次吸收和辐射，光子终于来到对流 层。由于光子的能量远大于原子中束缚的外层电 子的能量，所以光子与原子的相互作用，表现得 就像光子与电子的散射过程。我们仍然可以将光 子被吸收再辐射这个过程比拟成光子在随机行走 。 光子终于到了位于辐射层之外的对流层，