天体形态与内部粒子结构的内在联系内容简介天体的形态与其微观物质结构存在密切的内在联系。

本文根据维定理简要地叙述了行星、主序星、白矮星、脉冲星和黑洞的微观物质结构。

对上述天体的引力势能和内部温度进行粗略地计算。

对于行星和太阳，计算结果与观测数据基本一致。

对于其它天体由于观测数据匮乏，目前还不能与观测数据进行比较。

李鑫2010年5月7日目录1 维里定理1.1 天体的维里定理1.2天体微观物质结构基本单元的维里定理2天体的形态与微观物质结构2.1 行星2.2 主序星2.3 白矮星2.4 脉冲星2.5 黑洞2.6 天体形态与微观物质结构表1 维里定理1.1 天体的维里定理对于稳定天体，如果忽略天体的磁能、辐射能、整体转动动能等较小的能量，天体的能量主要以引力自聚能和热能形式存在。

根据维里定理，有20K +Ω= (1)(1)式中的Ω是天体的自聚能，或称天体的引力势能，如果用R 表示天体的半径，则有235GM RΩ=- (2)(1) 式中的K 是天体的热能，为了简化问题，假设微观物质结构基本单元u 是氢原子，用p m 表示氢原子质量，p m 的无规则运动的动能，根据能量均分定理得21322p m v kT = 上式中v 是原子振动速度，k 是波尔兹曼常数。

T 是天体的温度。

由上式，可以得出热能K等于3K NkT = (3)(3)式中N 是天体微观物质结构基本单元的数量，即氢原子数量，定义pMN m =(4.1) 或3R N d ⎛⎫= ⎪⎝⎭(4.2)(4.2)式中d 等于天体微观物质结构基本单元的半径。

将(4.1)式和(4.2)式代入(2) 式，可以得出25335pGm N dΩ=- (5.1)或2523235p PPm GM N d M Ω=- (5.2) 上式中P M 等于Planck 粒子的质量，Planck 粒子的半径等于P L ，质子的半径等于p r 。

定义3570 2.2610p P r N L ⎛⎫=≈⨯ ⎪⎝⎭(5.3)由于2P GM c = (5.4)222302p P Pp mL N M r -⎛⎫== ⎪ ⎪⎝⎭(5.5) 将(5.3)、(5.4)和(5.5)式代入(5.2)式，可以得出 23035N c N N d ⎛⎫⎛⎫Ω=-⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭ (5.6) 由(1)式、(3)式和(5.6)式可以得出230110N cT N kd⎛⎫= ⎪⎝⎭ (6) 天体的温度一般随深度而增加，在天体的核心10R处的温度0T 等于 2300N cT N kd ⎛⎫= ⎪⎝⎭(7)1.2 天体微观物质结构基本单元的维里定理假设天体的微观物质结构基本单元数量N 是守恒量，即天体辐射出的核子数与天体吸收的核子数基本相等。

由(6)式和(7)式可以得出天体的引力势能和和温度主要由N 和d 决定。

恒星00.160NN，即恒星的质量在一个很狭窄的范围内。

不同的形态的恒星的引力势能和温度主要由其微观物质结构基本单元的半径d 所决定。

d 值由微观物质结构决定，遵循微观粒子的维里定理，如果微观粒子的势能用V 表示，动能用T 表示，稳定的微观粒子的维里定理形式为20V T += (8) 势能V 和动能T 具体形式将下面详述。

2 天体的形态与微观物质结构天体的形态与其微观物质结构有密切联系，不同形态的天体具有不同微观物质结构。

下面将叙述不同天体形态的微观物质结构。

2.1 行星太阳系的行星绕太阳公转、它们以表面反射恒星光而发亮 。

现知太阳系有 8颗，常称八大行星，有水星、金星、地球、火星、木星、土星、天王星、海王星。

行星具有许多相同性质。

它们的微观物质结构基本单元都是原子。

电子处于原子最外层。

电子的势能2e V d=-，动能222e T m d = ，由(8)式微观粒子的维里定理，22222e e d m d-= (9.1)或95.2910B d r cm -==⨯ (9.2)由(9.2) 式得出的d 值等于原子的Bohr 半径。

与(4.2)式计算结果基本一致。

行星内微观物质结构基本单元的结合能E 等于13.52BcE eV r α=-≈- (9.3)或112.1810E erg -≈⨯ (9.4) 将d 值代入(5.6)式和(7)式，可以得出行星的引力势能和和内部温度 23035B N c N N r ⎛⎫⎛⎫Ω=-⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭ (10) 2300BN cT N kr ⎛⎫=⎪⎝⎭ (11) 表1列出了八大行星与其微观结构内在联系，表2按照(2)式和(10)式计算出八大行星的引力势能。

按照(11)式计算出天体内部温度。

由表2可以看出行星的内部温度最高的是木星，50 2.210T K =⨯，所以行星都没有达到核反应的点火温度。

2.2 主序星在赫罗图上，位于自左上角到右下角沿对角线的一条窄带的恒星，叫做主星序。

光度比相同光谱型的巨星和超巨星小，故又叫矮星。

现在观测到的恒星，百分之九十都是主序星。

太阳就一颗普通的主序星。

下面就以太阳为例讨论主序星的微观物质结构。

太阳是一个发光的等离子体球。

太阳主要的参数是：半径为6.96×105千米，质量为1.989×1030千克 ；表面有效温度为 5770K ，中心温度约1.5×107K ；平均密度 1.409×103千克／米3 ，中心密度约1.6×105千克／米3 ；辐射总功率3.826×1026瓦 。

太阳微观物质结构基本单元是原子，由(4.1)式可以得出太阳包含的质子数约为 571.210pMN m =≈⨯ (12.1) 由(4.2)式可以计算出d 值为96.610d cm -=⨯ (12.2)上式的d 值与氢原子的Bohr 半径基本一致。

太阳的微观物质结构与行星基本相似，不同是太阳的原子处于电离态。

所以太阳的引力势能和温度的表示式与行星形式上是相同的。

即 23035B N c N N r ⎛⎫⎛⎫Ω=-⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭ (13)2300BN cT N kr ⎛⎫=⎪⎝⎭ (14) 表1按照(13)式和(14)式计算出太阳的引力势能和温度。

计算结果与观测数据基本一致。

由表1可以看出太阳的内部温度70 2.8610T K =⨯，达到核反应的点火温度。

已经发生了核反应。

核火并不升高恒星的温度,而是降低了恒星的温度。

,阻止恒星的收缩。

理由看来很简单，由恒星收缩所提供的能量一方面用于恒星的辐射，另一方面使恒星进行的核反应，核反应是极其复杂的，有些核反应是放热的，有些则是吸热的，总体来说核反应是吸热的，使愈来愈多的电子由束缚态邀发到自由态。

所以温度也保持不变，恒星起着恒温器一样作用。

2.3 白矮星白矮星是一种低光度、高密度、高温度的恒星，白矮星的质量却和太阳差不多，白矮星的半径与行星大小差不多，取平均半径为8510R cm ≈⨯， 根据白矮星的半径和质量，可以算出它的表面重力等于地球表面的1000万－10亿倍。

光度（恒星每秒钟内辐射的总能量，即恒星发光本领的大小）非常小，大约是太阳辐射能量的341010-- 倍。

在白矮星内部的巨大的压力和高温之下，使原子失去电子，裸原子核挤在一起造成了高密度 。

电子将脱离原子核，成自由电子。

这种自由电子气体将尽可能地占据原子核之间的空隙，从而使单位空间内包含的物质也将大大增多，密度大大提高了。

形象地说，这时原子核是“沉浸于”电子中。

于是电子脱离了原子轨道变为自由电子。

一般把物质的这种状态叫做“电子简并态”。

电子简并压与白矮星强大的重力平衡，维持着白矮星的稳定。

由(4.1)式可以得出白矮星包含的质子数约为 571.210pMN m =≈⨯ (15.1) 由(4.2)式可以计算出d 值为 114.710d cm -=⨯ (15.2)上式的d 值与电子的Compton 波长同数量级。

将e d r ≈值代入(5.6)式和(7)式，可以得出行星的引力势能和和内部温度23035e N c N N r ⎛⎫⎛⎫Ω=-⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭(18) 2300eN cT N kr ⎛⎫=⎪⎝⎭ (19) 表1按照(18)式和(10)式计算出白矮星的引力势能和温度。

计算结果与观测数据基本一致。

由表1，白矮星的内部温度9010T K ≈，已经超过了核反应点火温度，所以白矮星上进行着核反应。

同太阳一样，核反应不是升高白矮星的温度，而是降低白矮星的温度。

阻止白矮星的收缩。

白矮星起着恒温器的作用。

白矮星收缩速度远小于主序星的收缩速度，因此白矮星的辐射强度只有太阳的341010-- 倍。

2.4 脉冲星发射短周期脉冲信号的一类天体。

1968年美国的T.戈尔德指出脉冲星实质上是快速自转的中子星。

中子星有很强的磁场。

已发现脉冲星约500个，脉冲周期从0.0015 秒到接近4秒。

脉冲星质量与太阳质量同数量级，假设脉冲星的33410M g ≈⨯，半径6210R cm ≈⨯。

恒星在演化末期，缺乏继续燃烧所需要的核反应原料，内部辐射压降低，由于其自身的引力作用逐渐坍缩。

质量不够大(约数倍太阳质量)的恒星坍缩后依靠电子简并压力与引力相抗衡，成为白矮星，而在质量比这还大的恒星里面，电子被压入原子核，形成中子，这时候恒星依靠中子的简并压与引力保持平衡，这就是中子星。

典型中子星的半径只有几公里到十几公里，质量却在1-2倍太阳质量之间，因此其密度可以达到每立方厘米上亿吨。

由于恒星在坍缩的时候角动量守恒，坍缩成半径很小的中子星后自转速度往往非常快。

又因为恒星磁场的磁轴与自转轴通常不平行，有的夹角甚至达到90度，而电磁波只能从磁极的位置发射出来，形成圆锥形的辐射区脉冲星微观物质结构基本单元是原子核，由(4.1)式可以得出脉冲星包含的质子数约为 572.210pMN m =≈⨯ (20.1) 由(4.2)式可以计算出d 值为 131.510d cm -≈⨯ (20.2)将d 值代入(5.6)式和(7)式，由于01N N ⎛⎫≈⎪⎝⎭，可以得出行星的引力势能和和内部温度 35c N π⎛⎫Ω=- ⎪⎝⎭(23) 0cT k π=(24) 表1按照(23)式和(24)式计算出脉冲星的引力势能和温度。

由表1，脉冲星的内部温度11010T ≈⨯K ，脉冲星一般都有很强的辐射。

这表明脉冲星快速收缩，辐射功率等于引力势能变化率d dtΩ，2.3 黑洞黑洞是理论预言的一种天体。

按照广义相对论黑洞的质量和半径满足如下关系22GMc R= (25)广义相对论的上述结论与传统理论不一致。

按照传统理论黑洞引力势能2GM R Ω=-，动能212T Mc =，根据维里定理22122GM Mc R = (26) 或2GMc R= (27) 定义黑洞的角动量JJ MRc = (28)如果黑洞的角动量是不变量，则黑洞的质量和半径的第乘积M R 是不变量。