1相對論CONTENTS第9章現代物理學量子力學29.1課程標準

1.知識目標理解光速不變原理、鐘慢效應、尺縮效應、質增效應、質能關系式、等效原理。理解光譜線的引力頻移、光線在引力場中偏轉。了解行星近日點的進動、狹義相對論在時空觀上的突破、廣義相對論在時空觀上的突破。2.能力目標具備初步批判性思維能力。3.素質目標弘揚科學家精神，博學德清，鼎新致用到19世紀末，物理學取得了前所未有的進步和成功，但也爆發了一場危機。這場危機是由以太漂移實驗和對黑體輻射現象的研究引起的。

1890年4月27日英國皇家學會上，英國物理學家開爾文（1824—1907）稱為物理學晴朗天空中的“兩朵烏云”。

在科學發展的歷史的轉折關頭，掀起了一場空前的物理學革命，相對論和量子力學就是這場物理學革命的最主要的成果，它們構成了現代物理學的兩大理論支柱。第一節相對論一、狹義相對論（一）狹義相對論的主要內容

1905年，德國物理學家阿爾伯特·愛因斯坦發表了題為《論動體的電動力學》論文，提出了狹義相對。

“狹義”表示它只適用于慣性參考系。狹義相對論的主要內容包括兩條基本原理和一些重要結論。

1.兩條基本原理

（1）光速不變原理指在任何慣性系中光速都相同。凡是符合牛頓慣性定律的的參照系叫做慣性系。在經典物理中，速度合成律為：

v=u±v′

例如，我們在河邊看一個人游泳，時而順流而下，時而逆流而上。游泳者的速度是不變的，我們看速度是變化的。

牛頓的速度合成率牛頓的速度合成率不能解釋慣性系中的光速

速度合成率：

例如：在地球上看飛機上發射火箭，如飛機的速度是1聲速，火箭的速度也是1聲速，那么火箭的速度為：

1+1=2（聲速）如飛機和火箭以光速運行，在地球上看來，火箭的速度，不是1+1=2（光速）,而是一個光速。

（2）狹義相對性原理

在慣性系統中光速不變示意圖

2.重要結論

（1）運動的鐘變慢（鐘慢效應）

橫軸是物體的運動速度。縱軸表示當運動鐘走過1秒時，靜止的鐘走過了多少。

（2）運動的尺縮短（尺縮效應）

由狹義相對論的基本原理推出：一把靜止時長度為L0的尺子，當它相對于觀測者以速度v運動時，其長度就成為:L

如圖9-2，一把1米長的尺在運動過程中長度的變化：當速度達到光速的一半時，收縮15%。當速度達到每秒26萬千米時，收縮50%，也就是原來1米長的尺，現在只有50厘米了。結論：一個物體相對于觀察者靜止時，它的長度測量值最大。如果它相對于觀察者運動，則沿相對運動方向上的長度要縮短。速度越大，縮的越短。（當v→c,L→0）。

慣性坐標系

（3）質增效應

（4）質能關系式

（二）狹義相對論在時空觀上的突破

經典力學中有三個普遍的基本物理概念：質量、空間和時間。經典力學認為：空間向上下四方延伸，同時間無關；時間從過去流向未來，同空間無關。狹義相對論從根本上否定了以牛頓為代表的脫離物質運動的絕對時空觀。

狹義相對論里的鐘慢效應、尺縮效應和質增效應，表明時間、空間與物質的運動是不可分割的；通過愛因斯坦的質能關系式人們認識到，質量概念和能量概念表示的是物質的屬性，質量與能量相當，恰好說明物質與運動的不可分割的聯系。

二、廣義相對論（一）廣義相對論的主要內容

1、兩條基本原理

（1）等效原理一個加速運動系統所看到的運動與存在引力場的慣性系統所看到的運動完全相同。

例如，假定有一個外力，拉著實驗室向上作勻加速直線運動，加速度剛好等于地面上的重力加速度：a=g=9.8米／秒2。這時，實驗人員覺得自己恢復了重量，又站到地面了。一切都和地面上的情況一樣。

在一個非慣性系（實驗室向上作勻加速運動）里描述的物理過程的規律就和一個內部存在一均勻引力場上的慣性系（地球表面）所描述的物理過程的規律完全等效。這樣就把運動的相對性原理從慣性系推廣到非慣性系。等效原理思想實驗示意圖

（2）廣義相對性原理指物理規律在一切參照系中都一樣。廣義相對性原理一般通過等效原理來理解。既然等效，那就是一切都一樣。

用等效原理解釋引力現象2.重要結論

（1）行星近日點的進動水星軌道的近日點不是固定的。即近日點隨著時間逐漸“前移”，在300萬年內移動一周。還有一個解釋不了的每世紀43弧秒的附加進動，稱為“異常進動”。愛因斯坦用廣義相對論產生的時空曲率（尺縮效應），算出了這個異常進動值，正好是每世紀43弧秒。

之后，其他一些行星的這種近地點“異常”進動也被測量出了，它們的值也同樣與廣義相對論算出的值相吻合。水星近日點進動示意圖

（2）光譜線的引力頻移

一切物體在引力場附近時，都不可能走直線，因為引力的作用要使它們的軌道偏向引力源。根據等效原理可以判斷，光在引力場中傳播時，也會有類似的現象。引力場的空間不是平直的，是彎曲的黎曼空間（尺縮效應）。光線在引力場中的偏轉角經過計算是1.7秒。

（3）光線在引力場中偏轉

光譜線引力頻移示意圖光線在引力場中偏轉示意圖1919年愛丁頓領導的觀測隊，5月29日，他們在西非的普林西比島上拍攝了日全食時太陽附近的星空照片，然后與太陽不在這個天區時的星空照片相比較。發現太陽周圍那十幾顆星星，都向外偏轉了1.61±0.31〞,星光拐彎了。與愛丁頓同時觀測日全蝕的赴南美洲京市臘爾的遠征隊克羅姆林拍的照片之中，有7張和愛丁頓的那一張是一致的。向外偏轉了1.98±0.12〞。

愛丁頓經過反復計算、核對，排除一切誤差、干擾，最后他完全有把握認為：日全蝕的觀測，精確地證實了愛因斯坦的廣義相對論。

（二）廣義相對論在時空觀上的突破

愛因斯坦在廣義相對論中指出：在引力場中，空間的性質不再服從歐幾里得幾何，而是遵循非歐幾何。這就是說，現實的物質空間不是平直的歐幾里得空間，而是彎曲的黎曼空間；空間的彎曲程度取決于物質在空間中的分布狀況，物質密度大的地方，引力場也大，空間的彎曲也較厲害。

由此可見，廣義相對論認為時空的性質不僅取決于物質的運動狀態，而且取決于物質的分布狀況，這與脫離物質分布的絕對時空觀是絕然不同的。思考與練習

1.簡答光速不變原理、鐘慢效應、尺縮效應、質增效應、質能關系式、等效原理。

2.簡答光譜線為什么發生引力頻移？3.簡答光線為什么在引力場中偏轉？

4.簡述狹義相對論和廣義相對論在時空觀上有何突破？

1相對論CONTENTS第9章現代物理學量子力學29.2課程標準

1.知識目標

了解普朗克、波爾、德布羅意、海森堡、薛定諤在量子力學上的科學創新。

了解量子力學的基本內容。

理解基本粒子的分類及四種作用力的特點。

2.能力目標具備初步批判性思維能力。3.素質目標弘揚科學家精神，博學德清，鼎新致用。

一、量子力學的基本內容

（一）微觀粒子的基本特征

1.量子性

是指微觀客體在運動變化中具有不連續性和突變性。一個物體能全部吸收透射在它上面的輻射而無反射，這種物體稱為絕對黑體。在一定溫度下，當空腔與內部的輻射處于平衡時，腔壁單位面積所發出的輻射能量與其吸收的輻射能量相等。實驗測出平衡時輻射能量密度按波長分布的曲線，其形狀和位置只與黑體的溫度有關與空腔材料或形狀無關。能量密度按波長分布的曲線

第二節量子力學

公式在低頻部分與實驗曲線相吻合，高頻時能量密度趨于無限大，而實驗卻顯示出能量密度趨向于零。這就是著名的紫外災難。為了消除黑體輻射中的“紫外災難”，德國物理學家普朗克于1900年用插值方法試圖調和維恩公式和瑞利—金斯公式，提出能量子的概念。

2.幾率性

是指由于微觀客體運動時沒有確定的連續軌道，我們只能估計在某個時刻某個范圍內出現微觀粒子的可能性大小，即幾率的大小。

玻爾（丹）根據對應原理思想，定量地求出了氫原子能級公式為：

是指微觀客體不僅具有粒子性，而且具有波動性。

德布羅意（法）于1923年9月10日在法國科學院《會議通報》上發表了有關物質波的第一篇論文《波和粒子》．他認為，一個能量為E，動量為P的粒子與頻率為v和波長為λ的波相當；仿照愛因斯坦關系，粒子的能量、動量與相應的頻率和波長的關系為：

3.波粒二象性微觀客體運動時沒有確定的連續軌道4.不確定性

是指由于微觀粒子沒有確定的連續軌道，對共軛正則物理量（共軛,即按一定的規律相配的一對物理量如動量與位置、時間與能量）不可能同時測準。

海森堡（德）發現，要確切地知道粒子的位置，必須用一束光射到這個粒子上，通過光波的反射才能知道粒子的位置，光波越短，測量的結果越精確。

但是波長越短，越容易擾動粒子，結果使粒子以一種不可測的方式改變了速度。

也就是說，對位置測量的越精確，那么對它速度的擾動就越大，反之亦然

（二）量子力學的表達形式

1.矩陣力學1925年海森堡在玻恩等人的幫助下，創立了量子力學的一種形式體系——矩陣力學。矩陣力學從所觀察的光譜的分立性入手，它的基本概念是粒子，它采用的是矩陣代數方法。

2.波動力學1926年，薛定諤（奧地利）采用解微分方程的方法，從經典理論入手，將經典力學和幾何光學加以對比，提出了對應于波動光學的波動方程。從而創立了量子力學的第二種形式體系——波動力學。

1926年薛定諤在認真研究了海森堡的矩陣力學之后，證明了波動力學和矩陣力學在數學上的等價性。從此之后兩者合而為一，形成量子力學的理論體系。

（三）量子力學對經典決定論的沖擊

經典力學認為，一切物體（包括微觀客體）運動變化服從確定的因果聯系，從前一時刻的運動狀態可以推斷以后各時刻的運動狀態。在數學上可以用各種方程式特別是微分方程式表述。量子力學的研究結果表明，由于微觀客體的運動在本質上是一種非連續的過程，致使微觀客體具有量子性、幾率性、波粒二象性和不確定性，而這些性質是和宏觀客體絕然不同的。在哲學上，量子力學不但揭示了波粒二象性是自然的基本矛盾，為對立統一規律提供了新的證明，而且進一步揭示了連續性與間斷性；偶然性與必然性等之間的辯證關系，宣告了機械論自然觀的破產。

二、基本粒子及相互作用

自從電子發現以后，1906年英國科學家盧瑟福做了著名的α粒子散射實驗，即讓一束平行的α粒子（氦-4的原子核）穿過極薄的金箔時，他發現穿過金箔的α粒子，有一部分改變了原來的直線射程，而發生不同程度的偏轉，還有少數α粒子，好像遇到某種堅實的不能穿透的東西而被折回。而這個帶正電荷的部分在原子中所占的體積很小。因此，盧瑟福提出了原子內部存在著一個質量大、體積小、帶正電荷的原子核，電子在原子核外繞核作軌道運動的原子模型。由于盧瑟福的這一重要成果，他于1908年獲得了諾貝爾獎。后來通過粒子撞擊的方法發現了基本粒子。盧瑟福原子結構模型

現代物理學把比原子核更小的粒子統稱為基本粒子。

到目前為止，已發現的基本粒子大約有幾百種。根據相互作用的特點來進行分類，基本粒子可分為強子、輕子和傳播子三大類。

（一）基本粒子基本粒子基本粒子可分為強子、輕子和傳播子三大類

1.夸克強子是參與強相互作用、電磁相互作用及引力相互作用的基本粒子。

強子是由夸克組成的。組成1個重子需要3個夸克，組成1個介子需要1個夸克和1個反夸克。夸克帶有分數單位電荷；夸克都是自旋為1／2的費米子（自旋是物體對于其質心的旋轉）。

目前已發現的夸克有6種，分別是上夸克（u），下夸克（d）；奇異夸克（s），粲夸克（c）；底夸克（b）和頂夸克（t）。

例如：n=（udd）；p=（uud）；

π-=（du′）；π+=（ud′）

2.輕子

是傳送各種相互作用的微觀粒子（稱玻色子）。傳遞強相互作用的傳播子叫膠子，共有8種；傳遞弱相互作用的是中間玻色子，有3種；

傳遞電磁相互作用的是光子，只有1種；傳遞引力相互作用的叫引力子，只有1種。3.傳播子傳播子

（二）四種作用力人類迄今認識到自然界存在著四種基本的相互作用，即：引力相互作用、電磁相互作用、弱相互作用、強相互作用。2024年3月28日記者從南京大學獲悉，該校物理學院杜靈杰教授率領的國際科研團隊，首次觀察到引力子在凝聚態物質中的“投影”。

思考與練習

1.說說普朗克、波爾、德布羅意、海森堡、薛定諤在量子力學上的有何科學創新？2.量子力學的基本內容有哪些？3.什么是基本粒子？如果按照相互作用的特點來分類，基本粒子分為幾類？1宇宙大爆炸理論CONTENTS第10章現代天文學恒星的起源和演化210.1課程標準

1.知識目標

識記加莫夫（俄籍美國人）、夫瑯和費（德）、基爾霍夫（德）、彭齊亞斯和威爾遜（美）、哈勃（美）在天文學上的創新成果。理解宇宙元素的豐度、恒星光譜的紅移、宇宙背景輻射、宇宙的年齡獲得的依據。理解大爆炸標準模型的演變過程。2.能力目標具備初步批判性思維能力。3.素質目標弘揚科學家精神，博學德清，鼎新致用。

第一節宇宙大爆炸理論

1946年美國俄籍核物理學家、宇宙學家喬治·伽莫夫（1904—1968）正式提出宇宙大爆炸模型。1952出版了《宇宙的產生》著作，進一步進行了論證。該理論成為現代宇宙學中最有影響的一種學說，稱之為宇宙大爆炸標準模型。伽莫夫（1904—1968）

一、基本觀點

認為宇宙誕生于大約100億年前的一次大爆炸。

爆炸之初，物質只能以中子、質子、電子、光子和中微子等基本粒子形態存在。

宇宙爆炸之后的不斷膨脹，導致溫度和密度很快下降。隨著溫度降低、冷卻，逐步形成原子、原子核、分子，并復合成為通常的氣體。

氣體的主要成分是氫氣，約占75%；其次是氦氣約占25%。氣體逐漸凝聚成星云，星云進一步形成各種各樣的恒星和星系，最終形成我們如今所看到的宇宙。

宇宙還在膨脹，宇宙背景冷卻到3K。宇宙大爆炸不斷膨脹示意圖二、大爆炸的依據1、宇宙元素的豐度1814年，德國物理學家夫瑯和費用分光鏡發現在太陽光的譜帶（連續譜）中含有數百條暗線（譜線），譜帶中橙黃色區域的雙重暗線（D線）的位置與金屬鈉的化合物受熱后所產生的兩條明線的位置相同。這些吸收線代表著恒星大氣中各種不同的化學元素。每種化學元素都有特殊的光譜線

科學家發現了三種類型的光譜。連續譜：在高壓下的熾熱固體、液體、或者氣體發出連續光譜；發射線：在低壓下的熾熱氣體，產生分立的亮線組成的光譜。氣體不同，產生的亮線也不一樣；吸收線：通過低壓的氣體來觀察一個發出連續光源時，可以看到連續光譜上迭加了幾條暗線，暗線的位置恰好是低壓的熾熱氣體發出亮線的位置。三種類型的光譜特征1858年德國物理學家基爾霍夫發現產生這三種光譜的原因，于次年提出了兩條定律：

（1）每一種元素都有自己的光譜；（2）每一種元素都能吸收它能夠發射的譜線。將所拍的恒星線光譜和已知元素譜線波長表相對照，便可確認天體的化學成分。

同時，還可根據光譜線的強度確定各元素的含量。研究表明，幾乎所有恒星的表層大氣中都具有大致相同的化學成分，氫和氦兩種元素占了總量的95%以上，其中氫占75%左右。還有鉀、鈉、鈣、鎂、鐵、氧化鈦等元素和一些化合物。

2.星系光譜的紅移聲音的頻率越大，音調越高。比如C調：1（262）；2（294）；3（330）；4（349）；5（392）；6（440）；7（494）赫茲。

當火車朝我們開來時，汽笛聲愈來愈尖，一旦擦身而過，又迅速地低沉下去。火車一停，汽笛聲也隨著穩定下來。這說明聲源和觀測者只要有相對的運動，聲波的頻率就會發生變化。

在互相接近的情況下，頻率變高；互相分離時，頻率變低，這種現象叫多普勒效應。測定光的多普勒效應的最好辦法，是觀測它的譜線的變化。

c=νλ

多普勒效應是一切種類波所共有的現象，也適用于光波和電磁波。大多數恒星的光譜里，在紫外光部分都有兩條暗線，這是被鈣氣吸收所致。

令人詫異的是，遙遠星系光譜里的這兩條暗線同實驗室的比較，卻不是處在它們應處的位置上，而是稍稍移向低頻端(即紅端)。這種現象稱為“紅移”。星系距離愈遠，譜線“紅移”愈顯著，甚至使這兩條應處于紫外光部分的暗線，移到了紅光一端。

這種某頻率譜線的位移現象，說明該天體遠離觀察者而去。20世紀60年代，世界各地的天文觀測者測量到約28000個星系的光譜,除少數（靠近銀河系的那些星系)外，全都具有支持膨脹宇宙的紅移。光譜線的紅移現象，說明該天體遠離觀察者而去

3、宇宙背景輻射

微波即波長在10米到1毫米之間的電磁波，是分米波、厘米波、毫米波的統稱。1964年，美國貝爾電話實驗室的彭齊亞斯和威爾遜用一架衛星通訊天線測量銀暈氣體射電強度。為了降低噪音，他們甚至清除了天線的鳥糞，但依然有消除不掉的背景噪聲。他們認為，這些來自宇宙波長為7.35厘米的微波噪聲相當于3.5K。1965年，他們又訂正為2.726K，并將這一發現公諸于世。普林斯頓大學皮伯斯等認為，這就是他們尋找的宇宙背景輻射。微波背景輻射被作為“大爆炸宇宙”的重要遺跡被確認。彭齊亞斯和威爾遜兩人因此獲得1978年諾貝爾物理學獎。而皮伯斯也終于在2019年獲得了諾貝爾物理學獎。大爆炸的宇宙背景輻射溫度

4.宇宙的年齡

對室女座10顆脈沖星觀測得到的哈勃常數的值為：50～100km·s-1·Mpc-1，確定的宇宙年齡在120億～160億年之間。現在普遍認為，估計宇宙年齡在100億～150億年之間。

這些結果與宇宙年齡的理論值符合得很好。三、大爆炸標準模型

大爆炸宇宙論認為宇宙起源于一個高溫、高密度的“原始火球”的大爆炸，爆炸之后經過降溫、變稀和膨脹，逐步演化成今天看到的天體系統。宇宙“始”于約100億年前的大爆炸。起初不僅沒有任何天體，也沒有粒子和輻射，只有一種單純的真空狀態以指數函數形式急劇膨脹著。

大爆炸宇宙膨脹示意圖

（1）大爆炸后10-44s，溫度為1032K，發生超統一相變。引力相互作用首先分化出來，但弱、電磁、強三種相互作用仍不可分。此時最基本的粒子產生。

（2）10-36s，溫度為1028K，大統一相變發生。強相互作用與弱、電磁相互作用分離。此時有強子生成。

（3）10-10s，溫度為1015K，弱電相變發生。弱相互作用與電磁相互作用分離。此后，物質與反物質間的不對稱（即質子、電子等物質多于反質子、正電子等反物質）的現象開始出現。

引力源于物體質量的相互吸引；電磁力是由粒子的電荷產生的，同性電荷相斥異性電荷相吸；強力主要是把夸克結合在一起的力；

弱力的作用是改變粒子而不對粒子產生推和拉的效應，像核聚變和核裂變這兩個過程都是受弱力支配的。（4）1s，溫度降至1010K，中子進入凍結階段。凍結的中子有兩種途徑，一部分與質子結合，成氦核；另一部分自由衰變成質子。

中子→質子+電子+反電子中微子。

（5）3

min，溫度為109K，為原子核合成階段。

中子：質子=1：7。首先形成氘核，然后再形成氦核。氦和氫核的質量比是1：3。

（6）1h后，反應結束，形成了75%的氫和25%的氦。

（7）7×105a，宇宙溫度降為3000K，為原子合成階段。原子核與電子結合成為原子。（8）108a，輻射溫度為100K，星系形成。

（9）109a，輻射溫度12K，出現類星體

（10）目前，宇宙年齡為1010a，輻射溫度降為2.7K，我們觀測到的宇宙已大到1010l.y.。

現在宇宙仍在繼續膨脹著。思考與練習

1.加莫夫（俄籍美國人）、夫瑯和費用（德）、基爾霍夫（德）、彭齊亞斯和威爾遜（美）、哈勃（美）在天文學上有何創新成果？

2.簡答宇宙元素的豐度、恒星光譜的紅移、宇宙背景輻射、宇宙的年齡資料的重要意義。

3.簡答大爆炸標準模型的演變過程。1宇宙大爆炸理論CONTENTS第10章現代天文學恒星的起源和演化210.2課程標準

1.知識目標

識記恒星的亮度、視星等、光度、絕對星等的概念。

識記天文學的距離單位。

理解赫羅圖的重要意義。理解原恒星、主序星、紅巨星、白矮星、中子星、黑洞的成因。2.能力目標具備初步批判性思維能力。3.素質目標弘揚科學家精神，博學德清，鼎新致用。

第二節恒星的起源和演化

一、赫羅圖

恒星的光度依賴于它的溫度和大小，故把它們的光度和溫度作圖比較就能把恒星按體積大小區分開來。如果兩顆恒星的溫度相等而直徑不等，那么直徑小的光度就小（白矮星），這是因為直徑小的恒星其表面積也小的緣故，所以它的位置就在圖的下方。

如果兩顆星的光度一樣但溫度不同，冷星的體積必然要大些(紅巨星)。因此，越冷的星在圖上的位置越靠右。這種恒星光度和光譜型關系的圖，是由丹麥天文學家赫茨普龍和美國天文學家羅素于1905和1913年各自獨立創制，故名赫羅圖。赫羅圖1.恒星的亮度與視星等恒星的亮度是指地球上受光強度，即恒星的明暗程度。表示天體亮度的等級叫做視星等。古代的天文學家們很早就開始了根據恒星亮度劃分恒星等級的工作，天文學家把天上的恒星分成6等，以肉眼看來最亮的星為1等星，肉眼勉強可見的暗星為6等星。而比1等星更亮的太陽、月亮、等的星等值只能以負值來表示了。全天最亮的恒星天狼星為-1.45等，金星最亮時為-4.22等，月亮滿月時的亮度為-12.73等。2.恒星的光度與絕對星等光源的視亮度與其距離的平方成反比。為了比較不同恒星的真實發光能力，必須設想把它們移到相同的距離上，才能比較它們的真正亮度即光度。天文學上把這個標準距離定為10個秒差距，即32.6光年處的亮度，稱為光度。

光度和亮度的公式：M=m+5-5lgd

太陽的亮度達-26.74等；絕對星等是4.75。根據亮度確定視星等根據光度確定絕對星等3.天文學的距離

（1）天文單位：規定地球到太陽的平均距離為一個天文單位，用1AU表示。1AU=1.496×108km.

（2）光年：定義光在真空中行走一年的距離為一光年，用1l.y.表示。1l.y.=9.4605×1012km.

（3）秒差距：指的是從某天體看太陽系時正交于視線上1AU所張的角度為1″(角秒）時的距離。

1pc=2.06×105AU=3.26l.y.

從某天體看太陽系時正交于視線上1AU所張的角度為1″時的距離。4.恒星的顏色恒星一般呈現出某種顏色，如紅色、黃色、白色、藍色等。在可見光中，紅光波長最長(0.7微米），藍光波長最短（0.4微米）。按照維恩位移定律：

λT=2.9×10-3

發光體的溫度越高，其光強最大值處的波長越短。

太陽在赫羅圖上處于主星序的中部。它是一個中等質量、是一個黃色的恒星，表面溫度6000K。發光體的溫度越高，其光強最大值處的波長越短。二、恒星的演化

（一）原恒星階段18世紀初康德等倡言的散布于空間中的彌漫物質（稱為星云）可以在引力的作用下凝聚成太陽和恒星的假說，經過歷代天文學家的努力已逐漸發展成為相當成熟的理論。

盡管星際物質的密度很低，約為10-19kg/m3，但它們的分布很不均勻。當引力做功轉化成熱，使分子云密度增加的同時溫度也不斷增高。

當引力勢能轉化為熱能而使中心天體熾熱發光。這就是原恒星階段。原恒星

原恒星在不斷收縮過程中，當引力能轉化的熱能使中心溫度達到107K時，就足以觸發恒星中心氫聚變為氦的熱核反應，從而放出巨大的核能，此時恒星不斷向外輻射出大量能量，我們說一顆恒星誕生了。按愛因斯坦質能關系，一定質量m聯系的能量E是質量乘以光速的平方mc2。與虧損質量相聯系的能量也這樣計算。每四個氫聚變成一個氦（4H1→He4）放出247MeV的能量。核燃燒使恒星內部物質產生向外的輻射壓力，當輻射壓力與引力達到平衡時，恒星的體積和溫度就不再明顯變化，進入一個相對穩定的演化階段，稱為主星序階段。恒星在主星序階段停留的時間最長，包括太陽在內的迄今發現的恒星90%處在這一階段。

（二）主序星階段主序星

（三）紅巨星階段

恒星中的核燃燒不僅發生于氫到氦的轉變，還有氦到碳再到其他較重元素的逐級轉變。

但發生這些轉變的溫度要求越來越高，溫度要高達一億度甚至幾十億度。當恒星核心部分氫完全轉變成氦后，恒星的內部將要發生新的變化。

一方面，星核由于輻射能力下降在引力作用下將收縮，收縮過程中引力做功產生的熱將恒星核心溫度再次提高，達到引發氦生成碳的程度，引發新一輪核反應。

另一方面外面殼層的氫也會開始燃燒。可以想象，同時有兩個不同的核聚變發生，情況將是復雜的。

3He4→C12氦燃燒階段形體的結構

當氦燃燒完畢后，恒星核心又會類似的進行新一輪核反應。這樣的過程一直會進行到合成鐵時為止。即：當溫度大于一億度時，3He4→C12；C12+He4→O16+He4→Ne20+He4→Mg24

當溫度大于幾