2025年大學(xué)《行星科學(xué)》專(zhuān)業(yè)題庫(kù)——行星形成中的熱核聚變過(guò)程考試時(shí)間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題1.在天體物理中，通常將質(zhì)量介于恒星和行星之間的天體稱(chēng)為？A.中子星B.褐矮星C.行星狀星云D.白矮星2.導(dǎo)致熱核聚變反應(yīng)無(wú)法在行星內(nèi)部持續(xù)發(fā)生的最主要原因是？A.行星缺乏足夠的重力約束B(niǎo).行星內(nèi)部溫度和壓力無(wú)法達(dá)到核反應(yīng)閾值C.行星缺乏必要的重元素燃料D.行星自轉(zhuǎn)速度過(guò)快3.與恒星內(nèi)部主要的氫融合途徑相比，CNO循環(huán)主要發(fā)生在什么樣的天體或天體區(qū)域？A.所有進(jìn)行氫融合的恒星B.質(zhì)量小于太陽(yáng)的恒星C.質(zhì)量大于太陽(yáng)的恒星內(nèi)部核心區(qū)域D.行星的核心4.下列哪一項(xiàng)是熱核聚變過(guò)程產(chǎn)生的直接后果？A.星際介質(zhì)的電離B.天體的引力坍縮C.核反應(yīng)產(chǎn)物的放射性衰變D.宇宙微波背景輻射5.褐矮星雖然質(zhì)量接近行星，但能進(jìn)行短暫的熱核聚變，其主要燃料是？A.氫和氦B.氧和碳C.氦和鋰D.氫和鋰6.行星內(nèi)部放射性元素的衰變產(chǎn)生的熱量與熱核聚變產(chǎn)生的熱量相比，通常扮演著什么樣的角色？A.主要的熱源B.次要的熱源，尤其在行星形成早期C.行星內(nèi)部冷卻的主要機(jī)制D.對(duì)行星化學(xué)分異沒(méi)有影響7.對(duì)于行星科學(xué)而言，研究行星形成中的熱核聚變過(guò)程主要目的是什么？A.尋找新的能源B.解釋行星的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、熱狀態(tài)和組成C.預(yù)測(cè)行星未來(lái)的軌道變化D.確定行星的年齡8.在太陽(yáng)系行星形成模型中，哪種機(jī)制被認(rèn)為與早期太陽(yáng)系盤(pán)中極少量氦和鋰的富集有關(guān)？A.恒星風(fēng)剝離B.巨行星快速形成引發(fā)的熱核聚變C.碎片星云中的初始富集D.行星間的引力攝動(dòng)9.以下哪個(gè)物理量是啟動(dòng)熱核聚變反應(yīng)的必要條件？A.重力勢(shì)能B.核力C.足夠高的溫度和密度D.電離能10.棕矮星在生命末期會(huì)逐漸停止熱核聚變，其主要能量來(lái)源轉(zhuǎn)變?yōu)椋緼.初始形成時(shí)的引力能釋放B.核反應(yīng)產(chǎn)物的放射性衰變C.吸收恒星風(fēng)物質(zhì)D.行星內(nèi)部的地質(zhì)活動(dòng)二、填空題1.熱核聚變是指原子核在__________、__________條件下發(fā)生聚合或轉(zhuǎn)化，并釋放巨大能量的過(guò)程。2.行星形成過(guò)程中，由于質(zhì)量限制，其內(nèi)部通常無(wú)法達(dá)到熱核聚變的__________條件。3.CNO循環(huán)是恒星內(nèi)部重要的氫融合途徑，它主要發(fā)生在__________區(qū)域，需要更高的溫度。4.褐矮星通常被認(rèn)為是由__________和__________構(gòu)成的“失敗的恒星”。5.行星內(nèi)部的熱流來(lái)源主要包括放射性元素的__________和（在某些情況下）殘留的__________。6.與主序星相比，褐矮星的光度和溫度隨時(shí)間變化的主要原因是其進(jìn)行的熱核聚變反應(yīng)不__________。7.行星科學(xué)研究中，區(qū)分微型恒星（褐矮星）與行星的關(guān)鍵因素之一是它們是否能夠持續(xù)進(jìn)行__________。三、名詞解釋1.德拜半徑(DebyeRadius)2.質(zhì)子-質(zhì)子鏈反應(yīng)(Proton-ProtonChainReaction)3.褐矮星(BrownDwarf)4.放射性加熱(RadioactiveHeating)四、簡(jiǎn)答題1.簡(jiǎn)述恒星內(nèi)部熱核聚變與行星形成過(guò)程中可能出現(xiàn)的局部核反應(yīng)現(xiàn)象之間的主要區(qū)別。2.解釋為什么行星的核心溫度即使很高，通常也不會(huì)發(fā)生持續(xù)的熱核聚變。3.簡(jiǎn)述放射性元素衰變對(duì)行星早期熱演化和內(nèi)部結(jié)構(gòu)形成的可能影響。4.從觀測(cè)的角度，如何區(qū)分一個(gè)天體是處于主序階段的恒星、正在冷卻的褐矮星還是巨行星？五、論述題討論熱核聚變過(guò)程（或其相關(guān)現(xiàn)象，如微型恒星的形成）對(duì)行星的化學(xué)組成和宜居性可能產(chǎn)生的長(zhǎng)期影響。試卷答案一、選擇題1.B2.B3.C4.C5.D6.B7.B8.A9.C10.B二、填空題1.高溫高壓2.溫度密度3.恒星內(nèi)部核心4.氣態(tài)物質(zhì)星云物質(zhì)5.放射性衰變引力收縮/殘余熱量6.穩(wěn)定7.持續(xù)的熱核聚變?nèi)?、名詞解釋1.德拜半徑(DebyeRadius):在行星內(nèi)部，當(dāng)物質(zhì)被加熱到極高溫度時(shí)，電子會(huì)完全電離，形成等離子體。德拜半徑是指在這種等離子體中，平均聲波波長(zhǎng)與粒子（離子或自由電子）平均自由程長(zhǎng)度的幾何平均值。它標(biāo)志著等離子體中長(zhǎng)程庫(kù)侖相互作用變得重要的尺度，半徑內(nèi)部平均場(chǎng)強(qiáng)近似為零。這個(gè)尺度對(duì)于理解高溫等離子體的物理性質(zhì)（如熱傳導(dǎo)、輻射輸運(yùn)）至關(guān)重要，也影響物質(zhì)對(duì)輻射的吸收和發(fā)射特性。2.質(zhì)子-質(zhì)子鏈反應(yīng)(Proton-ProtonChainReaction):這是恒星（如太陽(yáng)）內(nèi)部最主要的氫融合途徑。在極高溫度（約1500萬(wàn)開(kāi)爾文）和密度下，核心的質(zhì)子（氫核）通過(guò)一系列步驟，首先發(fā)生聚變生成氘核、正電子和中微子，然后氘核與另一個(gè)質(zhì)子融合生成氦-3，氦-3再與質(zhì)子融合生成氦-4（即一個(gè)氦原子核），同時(shí)釋放出大量的能量（主要是伽馬射線光子）。這個(gè)鏈?zhǔn)椒磻?yīng)是主序星能量來(lái)源的基礎(chǔ)。3.褐矮星(BrownDwarf):褐矮星是介于行星和恒星之間的天體，其質(zhì)量通常在木星質(zhì)量的8倍到80倍之間（約78地球質(zhì)量至78木星質(zhì)量）。它們是由氣體和塵埃云通過(guò)星云收縮形成，但質(zhì)量不足以觸發(fā)核心的氫熱核聚變。它們?cè)缙诳梢酝ㄟ^(guò)氘核聚變（短暫）和氦聚變（更短暫）釋放能量，呈現(xiàn)類(lèi)似恒星的光譜特征，但很快這些聚變也會(huì)因燃料耗盡而停止，隨后主要通過(guò)引力收縮和（部分天體中）放射性元素衰變來(lái)冷卻發(fā)光。因此，它們常被稱(chēng)為“失敗的恒星”或“行星狀的恒星”。4.放射性加熱(RadioactiveHeating):指行星內(nèi)部放射性同位素（如鋁-26、鉀-40、鈾、釷等）在衰變過(guò)程中釋放的阿爾法粒子、貝塔粒子或伽馬射線能量，轉(zhuǎn)化為行星內(nèi)部熱能的過(guò)程。這種加熱在行星形成早期尤為重要，因?yàn)榇藭r(shí)行星內(nèi)部尚未通過(guò)熱核聚變（如果發(fā)生的話）或有效的熱量傳導(dǎo)/輻射機(jī)制來(lái)維持溫度。放射性加熱是導(dǎo)致早期地核熔融、地幔對(duì)流以及維持一些地外行星內(nèi)部熱量的重要機(jī)制。四、簡(jiǎn)答題1.恒星內(nèi)部熱核聚變:是指在恒星核心區(qū)域，由于自身巨大的引力導(dǎo)致極高的溫度和壓力，使得氫或氦等原子核能夠克服庫(kù)侖斥力，發(fā)生聚變反應(yīng)（如質(zhì)子-質(zhì)子鏈反應(yīng)、CNO循環(huán)），釋放巨大能量，這個(gè)過(guò)程是恒星光和熱的主要、持續(xù)的能量來(lái)源，溫度可達(dá)數(shù)百萬(wàn)至數(shù)千萬(wàn)開(kāi)爾文。行星形成中可能的局部核反應(yīng):指在行星形成過(guò)程中的某些極端條件下（如極快的物質(zhì)坍縮、與大型天體的劇烈碰撞），局部區(qū)域可能達(dá)到非常高的溫度和壓力，足以引發(fā)短暫的、局部的核反應(yīng)，例如氫或氦的氘核聚變。這種反應(yīng)通常非常短暫，能量釋放有限，并非行星的主要能量來(lái)源，且無(wú)法持續(xù)進(jìn)行。其條件與恒星核心的穩(wěn)定聚變有本質(zhì)區(qū)別。2.行星的核心溫度雖然很高（例如地球核心溫度可達(dá)數(shù)千開(kāi)爾文），但通常無(wú)法達(dá)到熱核聚變所需的閾值溫度和密度。恒星核心的氫融合溫度約為1500萬(wàn)開(kāi)爾文，密度也遠(yuǎn)高于行星核心。行星缺乏足夠的引力來(lái)壓縮其內(nèi)部物質(zhì)至所需的極端密度，其核心主要由重元素（如鐵、鎳）構(gòu)成，這些元素在聚變條件下的熔點(diǎn)和飽和壓力遠(yuǎn)高于氫或氦。因此，即使溫度很高，行星核心的物質(zhì)狀態(tài)和壓力也不足以支持持續(xù)的熱核聚變。3.放射性元素衰變?cè)谛行窃缙跓嵫莼邪缪萘岁P(guān)鍵角色。當(dāng)行星形成時(shí)，富集的放射性同位素（如鋁-26、鉀-40）均勻或非均勻地分布在行星內(nèi)部。隨著這些不穩(wěn)定同位素逐漸衰變，其釋放的阿爾法粒子、貝塔粒子和伽馬射線能量轉(zhuǎn)化為熱能，導(dǎo)致行星內(nèi)部急劇升溫（尤其在放射性元素富集的殼層或核心）。這種內(nèi)部加熱是早期維持行星內(nèi)部高溫、導(dǎo)致地核熔融、促進(jìn)物質(zhì)分異（重元素沉入核心，輕元素上浮形成地幔和地殼）以及驅(qū)動(dòng)早期板塊構(gòu)造活動(dòng)的重要?jiǎng)恿?。?dāng)放射性元素衰變殆盡后，行星內(nèi)部的熱源減少，開(kāi)始逐漸冷卻。4.區(qū)分恒星、褐矮星和巨行星主要依據(jù)以下幾個(gè)方面：*光譜特征:恒星（主序星）光譜顯示出由熱核聚變產(chǎn)生的強(qiáng)烈的氫發(fā)射線或吸收線，表面溫度高，顏色偏藍(lán)。褐矮星光譜介于恒星和行星之間，可能顯示出氘、鋰（鋰易丟失，存在意味著年輕）、氦以及一些金屬譜線，但缺乏恒星那樣強(qiáng)烈的氫線，且通常表現(xiàn)為紅矮星或更紅的顏色。巨行星（如木星、土星）光譜主要顯示出強(qiáng)大的分子帶吸收特征（如甲烷CH?、氨NH?、水H?O），缺乏氫的銳利譜線，且表面溫度低，顏色偏黃或橙。*光度與顏色:恒星最亮，顏色最藍(lán)；褐矮星次之，顏色偏紅；巨行星最暗，顏色偏黃橙。*質(zhì)量:恒星質(zhì)量遠(yuǎn)大于褐矮星和巨行星（恒星>80M_木，褐矮星~8-80M_木，巨行星~0.001-2M_木）。*演化階段與能量來(lái)源:恒星通過(guò)持續(xù)的氫聚變發(fā)光發(fā)熱。褐矮星通過(guò)短暫的氘和氦聚變以及后續(xù)的引力收縮和放射性元素衰變發(fā)光，其光度隨時(shí)間緩慢下降。巨行星主要依靠形成時(shí)的引力能釋放和內(nèi)部緩慢的放射性加熱維持發(fā)光。*直接觀測(cè)證據(jù):通過(guò)高分辨率成像技術(shù)直接觀測(cè)到天體的形態(tài)、大小、光譜和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，結(jié)合質(zhì)量測(cè)量（如微引力透鏡、軌道動(dòng)力學(xué)）可以做出更準(zhǔn)確的分類(lèi)。五、論述題熱核聚變過(guò)程及其相關(guān)現(xiàn)象，特別是微型恒星（褐矮星）的形成和演化，對(duì)行星的化學(xué)組成和宜居性有著深遠(yuǎn)而復(fù)雜的影響。首先，化學(xué)組成方面：*元素豐度初始差異:恒星和行星形成于同一片星云，但恒星通過(guò)消耗大部分氫燃料，其表面的重元素（金屬）豐度通常遠(yuǎn)低于行星。褐矮星作為“失敗的恒星”，其形成過(guò)程與行星相似，但也消耗了部分周?chē)臍浜秃?，其重元素豐度介于恒星和行星之間。這意味著圍繞恒星和褐矮星形成的行星系統(tǒng)，其原始星云的化學(xué)組成可能存在差異，進(jìn)而影響行星能夠捕獲和形成的元素種類(lèi)與豐度。*核合成貢獻(xiàn):恒星內(nèi)部的熱核聚變（特別是氦燃燒及后續(xù)的碳、氧、硅等元素融合）是宇宙中合成比鐵更重元素的主要場(chǎng)所。這些重元素通過(guò)恒星風(fēng)或超新星爆發(fā)等過(guò)程被拋灑到星際空間，成為新一代行星形成星云的重要“燃料”。因此，恒星的生命周期和演化直接影響著可供行星“選擇”的元素庫(kù)。相比之下，褐矮星進(jìn)行的短暫聚變（氘核、氦核）合成的元素種類(lèi)和數(shù)量有限，對(duì)重元素豐度的貢獻(xiàn)遠(yuǎn)不如晚型恒星。因此，圍繞不同類(lèi)型恒星形成的行星，其重元素組成可能存在系統(tǒng)性的差異。*局部核反應(yīng)影響:行星形成過(guò)程中，如果局部區(qū)域（如極端碰撞或快速坍縮）達(dá)到極高條件引發(fā)短暫氘核聚變，雖然能量釋放有限且短暫，但可能局部改變小范圍區(qū)域的化學(xué)成分，例如消耗局部的氫和產(chǎn)生氦、正電子等。其次，宜居性方面：*能量來(lái)源與行星溫度:恒星是穩(wěn)定而持久的光和熱來(lái)源，其光譜能量分布和穩(wěn)定性是行星維持表面液態(tài)水（宜居性關(guān)鍵指標(biāo)）和長(zhǎng)期穩(wěn)定氣候的基礎(chǔ)。恒星的演化階段（如主序星、紅巨星）也會(huì)顯著影響其行星系統(tǒng)的宜居帶位置和行星環(huán)境。褐矮星雖然也能提供光和熱，但其能量輸出不穩(wěn)定，且隨時(shí)間快速衰減（從早期短暫的聚變到后期僅靠引力收縮和放射性加熱）。這種不穩(wěn)定的光熱輸出和快速冷卻，使得圍繞褐矮星運(yùn)行的行星很難長(zhǎng)期維持宜居條件。*