В Солнце больше фотонов, чем ядер?

Это немного загадочный вопрос. Я попытаюсь разобраться, но одна из сложных частей заключается в том, что атомы постоянно поглощают и излучают фотоны, более высокие температуры излучают более высокие длины волн.

Фотоны, созданные на солнце (в секунду), можно оценить, но это гамма-лучи синтеза.

Солнце горит о$564$миллионов тонн водорода в секунду. (Источник) , а 1 моль$6.022 \times 10^{23}$атомы, и у вас есть$1$моль водорода массой около$1.0794$грамм. Вам нужно около$840,000$молей водорода равны$1$тонна, поэтому$6.022 \times 10^{23} \times 8.4 \times 10^5 \times 5.64 \cdot 10^8$атомы водорода превращаются в секунду, и$1$водород, когда он подвергается синтезу (поправьте меня, если я ошибаюсь)$\mathrm {H + H = D +e^+}$(и Позитрон ударяет электрон и пуф) и$\mathrm {D + D = H}$, так что вы получите минимум$2.5$фотонов на водород (возможно, немного больше, как иногда бывает$\mathrm {D + H = T}$и$\mathrm {T}$распадается на$\mathrm {^3He}$.

но занимаясь математикой,$2.5 \times 6.022 \times 8.4 \times 5.64 \times 10^{23 + 5 + 8}$вы получаете о$7 \times 10^{38}$фотонов (гамма-лучей) в секунду, создаваемых внутри Солнца, и если каждый из них тратит в среднем$100,000$лет на солнце (оценки разнятся), умножьте это на$3.1 \times 10^{12}$секунд, и вы получите примерно$2.2 \times 10^{51}$фотоны на солнце, которые были созданы на солнце. Реальное количество фотонов на Солнце, вероятно, намного больше.

Если мы воспользуемся отношением творения к испусканию в качестве оценки, и я понятия не имею, соответствует ли оно, то велика вероятность, что это не так, но Солнце создает 7 x 10 ^ 38 фотонов в секунду и излучает примерно 1 x 10 ^ 45 фотонов. в секунду, (Источник) , так что это отношение примерно 1,4 x 10 ^ 6 творения к коэффициенту испускания. Имеет смысл, что когда гамма-луч проходит через почти бесконечное море атомов, он будет терять энергию на другие фотоны, а также на температуру, поэтому 1 фотон гамма-излучения в центре Солнца создает множество фотонов на своем пути к поверхности Солнца - может быть, целых 1,4 миллиона, но если бы я предположил, я бы сказал, что меньше.

Используя оценку времени пребывания фотона на Солнце за 100 000 лет, 1,4 x 10 ^ 6 x 2,2 x 10 ^ 51 = примерно 3,1 x 10 ^ 57.

Сколько атомов на Солнце? (Источник) : около 1,2 х 10 ^ 57

Так что, возможно, на Солнце больше фотонов, чем атомов, но это очень грубая оценка, и цифры слишком близки, чтобы их называть.

Возможно, лучшим способом расчета было бы оценить, сколько фотонов испускает атом определенной температуры в секунду, но я не смог найти быстрой ссылки на это. Плазма, вероятно, ведет себя совершенно иначе, чем атомы ближе к поверхности, но (возможно) достаточно холодная, чтобы удерживать некоторое подобие электронных орбиталей.

Другой способ подсчета может включать в себя виртуальные фотоны и фотоны, используемые для передачи электромагнитной силы, и в этом случае количество фотонов, вероятно, значительно превышает количество атомов. Это, вероятно, не очень хороший ответ, но я подумал, что выброшу его.

В разбавленном газе плотность фотонов должна быть такой же, как внутри вакуумированного черного ящика при той же температуре (независимо от плотности газа).

Редактировать: Другими словами, массивные частицы на Солнце имеют температуру, основанную на их кинетической энергии. Фотоны должны распространяться как излучение черного тела при той же температуре. Можно рассчитать плотность фотонов, находящихся в равновесии с черным телом данной температуры.

Редактировать: Это равновесие является основой теории космического микроволнового фона. Когда температура Вселенной была выше 3000К (t ∼ 380000 лет) фотоны находились в тепловом равновесии с ионизированным газом. Когда температура упала ниже, Вселенная стала прозрачной, а фотоны превратились в реликтовое излучение.

«Поэтому падение температуры реликтового излучения в 1100 раз (= 3000 К/2,73 К) указывает на расширение Вселенной в 1100 раз с момента отделения до настоящего времени».

Число атомов на Солнце порядка$10^{57}$, см. здесь .

Количество фотонов, испускаемых в секунду, порядка$10^{44}$, см. здесь .

Разница на порядок$10^{13}$. Итак, если фотоны испускаются для$10^{13}$секунд, 315,00 лет, количество фотонов начнет догонять количество атомов на Солнце. Солнце намного старше этого, поэтому фотонов, испускаемых солнцем, больше, чем реальных атомов на солнце.

Однако, по словам аскаматматика , немного неясно, как долго фотоны остаются на солнце до того, как они будут выпущены, поэтому количество фотонов на солнце немного неясно.

По сути, если рассматривать все фотоны внутри Солнца, то фотонов больше, чем атомов.